JP6790529B2 - 発光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、発光デバイスに関する。
特許文献１には、ｐ型及びｎ型の分布帰還型反射鏡に活性層が挟まれた層構造からなる発光領域を有する面発光レーザにおいて、発光領域が高抵抗領域で囲まれ、その高抵抗領域の周囲に、発光領域と同じ層構造のモニタ用フォトダイオードを有し、そして、発光領域の光強度分布の裾が、モニタ用フォトダイオードの光吸収部に達するようになっていることを特徴とする面発光レーザが開示されている。
特開２０００−１０６４７１号公報
本発明は、面発光レーザを包囲するようにモニタ用受光素子を配置する場合と比較して、容易に酸化狭窄層を設けることが可能なモニタ用受光素子一体型の発光デバイスを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発光デバイスは、発光部を有する第１のメサ構造体と、前記第１のメサ構造体と共通の半導体層で接続され、前記発光部から当該半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部を有する第２のメサ構造体と、前記受光部に接続されると共に前記受光部が受光した光の光量を検出する検出部と、前記第１のメサ構造体及び前記第２のメサ構造体に跨って設けられた、酸化領域と非酸化領域とを含む酸化狭窄層と、を備え、発光面側から見た場合に、前記第１のメサ構造体の面積よりも前記第２のメサ構造体の面積の方が大きいものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記非酸化領域は、発光面側から見た場合に、前記第１のメサ構造体と前記第２のメサ構造体との接続部でくびれた形状であるものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記第１のメサ構造体と前記第２のメサ構造体との間には、前記発光部の上面から前記発光部の活性層には至らない深さまでの凹部が形成されているものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記第１のメサ構造体と前記第２のメサ構造体との間には、電流の流れを阻止する電流阻止領域が形成されているものである。
請求項１に記載の発明によれば、面発光レーザを包囲するようにモニタ用受光素子を配置する場合と比較して、容易に酸化狭窄層を設けることが可能なモニタ用受光素子一体型の発光デバイスが提供される、という効果を奏する。
また、第１のメサ構造体の面積と第２のメサ構造体の面積とが同じ場合と比較し、光量の検出精度が向上する、という効果を奏する。
請求項２に記載の発明によれば、非酸化領域の幅が一定の形状である場合と比較し、発光部および受光部における光の閉じ込めが容易となる、という効果を奏する。
請求項３に記載の発明によれば、凹部が形成されていない構成と比較し、発光部および受光部における光の閉じ込めが容易となる、という効果を奏する。
請求項４に記載の発明によれば、電流阻止領域が形成されていない構成と比較し、第１のメサ構造内の電流と第２のメサ構造内の電流とを分離しやすい、という効果を奏する。
第１の実施の形態に係る発光デバイスの構成の一例を示す断面図及び平面図である。 実施の形態に係る発光デバイスの作用を説明する図である。 実施の形態に係る発光デバイスの光出力とモニタ電流との関係を説明する図である。 実施の形態に係る発光デバイスのＡＰＣ制御について説明する図である。 実施の形態に係る発光デバイスの製造方法の一例を示す断面図の一部である。 実施の形態に係る発光デバイスの製造方法の一例を示す断面図の一部である。 第２の実施の形態に係る発光デバイスの構成の一例を示す断面図及び平面図である。 第３の実施の形態に係る発光デバイスの構成の一例を示す平面図の一部である。 第３の実施の形態に係る発光デバイスの構成の一例を示す平面図の一部である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る発光デバイスは、発光部における光出力の一部を受光するモニタフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ。以下、「モニタＰＤ」）を集積化したモニタＰＤ一体型発光デバイスである。
［第１の実施の形態］
図１を参照して、本実施の形態に係る発光デバイス１０の構成の一例について説明する。本実施の形態では、本発明に係る発光デバイスを面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）に適用した形態を例示して説明する。図１（ａ）は本実施の形態に係る発光デバイス１０の断面図であり、図１（ｂ）は発光デバイス１０の平面図である。図１（ａ）に示す断面図は、図１（ｂ）に示す平面図においてＡ−Ａ’で切断した断面図である。
図１（ａ）に示すように、発光デバイス１０は、半絶縁性ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）の基板１２上に形成されたｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１４、下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）１６、活性領域２４、酸化狭窄層３２、及び上部ＤＢＲ２６を含んで構成されている。
図１（ｂ）に示すように、発光デバイス１０は２つのメサ（柱状構造）、すなわち各々略矩形形状のメサＭ１及びメサＭ２を備え、メサＭ１とメサＭ２とが接続される部分に結合部４０を有している。本実施の形態に係る結合部４０は、メサＭ１とメサＭ２とが接続されることによって形成された半導体層のくびれ部分に設けられている。メサＭ１及びメサＭ２の各々は、コンタクト層１４上に共通に形成された下部ＤＢＲ１６、活性領域２４、酸化狭窄層３２、上部ＤＢＲ２６を含んでいる。
また、メサＭ１とメサＭ２との間、すなわち結合部４０には、上部ＤＢＲ２６内に形成された電流阻止領域６０が配置されている。本実施の形態に係る電流阻止領域６０は、メサＭ１、Ｍ２の上面から酸化狭窄層３２の上部にかけて（すなわち、活性領域２４に至らない深さまで）、一例としてＨ＋（プロトン）イオンを注入して形成された高抵抗領域であり、メサＭ１とメサＭ２とを電気的に分離する領域である。後述するように、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、メサＭ１が発光部（ＶＣＳＥＬ）を構成し、メサＭ２が発光部における光出力を受光する受光部（モニタフォトダイオード）を構成している。
以下では、メサＭ１とメサＭ２とから構成される全体の構造を「メサＭ」という。
なお、電流阻止領域６０は、発光部と受光部との間の少なくとも一部を電気的に分離することにより光出力の検出精度を向上させる（Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）比を改善する）ためのものであり、必須のものではない。つまり、検出精度の許容度によっては電流阻止領域６０を用いなくともよい。
図１（ａ）に示すように、メサＭを含む半導体層の周囲は無機絶縁膜としての層間絶縁膜３４が着膜されている。該層間絶縁膜３４はメサＭの側面から基板１２の表面まで延伸され、ｐ側電極パッド４２−１、ｎ側電極パッド４４−１の下部に配置されている。本実施の形態に係る層間絶縁膜３４は、一例として、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で形成されている。なお、層間絶縁膜３４の材料はシリコン窒化膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、あるいはシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等であてもよい。
図１（ａ）に示すように、層間絶縁膜３４の開口部を介してｐ側電極配線３６が設けられている。上部ＤＢＲ２６の最上層には、ｐ側電極配線３６との接続のためのコンタクト層（図示省略）が設けられており、該コンタクト層を介してｐ側電極配線３６の一端側が上部ＤＢＲ２６に接続され、上部ＤＢＲ２６との間でオーミック性接触を形成している。
ｐ側電極配線３６の他端側はメサＭの側面から基板１２の表面まで延伸され、ｐ側電極パッド４２−１を構成している。ｐ側電極配線３６は、例えば、Ｔｉ（チタン）／Ａｕ（金）の積層膜を着膜して形成される。なお、以下ではｐ側電極パッド４２−１及びｐ側電極パッド４２−２（図１（ｂ）参照）を総称する場合は、「ｐ側電極パッド４２」という。
発光デバイス１０ではｐ側電極がアノード電極を構成している。
同様に、層間絶縁膜３４の開口部を介してｎ側電極配線３０が設けられている。ｎ側電極配線３０の一端側はコンタクト層１４に接続され、コンタクト層１４との間でオーミック性接触を形成している。一方、ｎ側電極配線３０の他端側は基板１２の表面まで延伸され、図１（ａ）に示すように、ｎ側電極パッド４４−１を形成している。ｎ側電極配線３０は、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層膜を着膜して形成される。なお、以下では、ｎ側電極パッド４４−１及びｎ側電極パッド４４−２（図１（ｂ）参照）を総称する場合は、「ｎ側電極パッド４４」という。発光デバイス１０ではｎ側電極がカソード電極を構成している。
上記のように、本実施の形態に係る基板１２には、一例として半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いている。半絶縁性のＧａＡｓ基板とは、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ基板である。半絶縁性のＧａＡｓ基板は抵抗率が非常に高く、そのシート抵抗値は数ＭΩ程度の値を示す。
基板１２上に形成されたコンタクト層１４は、一例としてＳｉがドープされたＧａＡｓ層によって形成されている。コンタクト層１４の一端はｎ型の下部ＤＢＲ１６に接続され、他端はｎ側電極配線３０に接続されている。すなわち、コンタクト層１４は、下部ＤＢＲ１６とｎ側電極配線３０との間に介在し、メサＭで構成される半導体層に一定の電位を付与する機能を有する。なお、コンタクト層１４は、サーマルクリーニング後、基板表面の結晶性を良好にするために設けられるバッファ層を兼ねてもよい。
コンタクト層１４上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ１６は、発光デバイス１０の発振波長をλ、媒質（半導体層）の屈折率をｎとした場合に、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、下部ＤＢＲ１６は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｎ型の低屈折率層と、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓによるｎ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。なお、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、発振波長λを、一例として８５０ｎｍとしている。
本実施の形態に係る活性領域２４は、例えば、下部スペーサ層、量子井戸活性層、及び上部スペーサ層を含んで構成されてもよい（図示省略）。本実施の形態に係る量子井戸活性層は、例えば、４層のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、その間に設けられた３層のＧａＡｓからなる量子井戸層と、で構成されてもよい。なお、下部スペーサ層、上部スペーサ層は、各々量子井戸活性層と下部ＤＢＲ１６との間、量子井戸活性層と上部ＤＢＲ２６との間に配置されることにより、共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。光デバイス１０では、メサＭ１がＶＣＳＥＬを構成しているので、メサＭ１における活性領域２４が発光層を構成する一方、メサＭ２はモニタＰＤを構成しているので、メサＭ２における活性領域２４は実質的に光吸収層として機能する。
活性領域２４上に設けられたｐ型の酸化狭窄層３２は電流狭窄層であり、非酸化領域３２ａ及び酸化領域３２ｂを含んで構成されている。ｐ側電極パッド４２−１からｎ側電極パッド４４−２に向かって流れる電流は、非酸化領域３２ａによって絞られる。図１（ｂ）に示す境界１８は、非酸化領域３２ａと酸化領域３２ｂとの境界を表わしている。図１（ｂ）に示すように、境界１８で区画された本実施の形態に係る非酸化領域３２ａは、結合部４０でくびれた形状をなしている。
酸化狭窄層３２上に形成された上部ＤＢＲ２６は、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、上部ＤＢＲ２６は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｐ型の低屈折率層と、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓによるｐ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。
上部ＤＢＲ２６上には、光の出射面を保護する出射面保護層３８が設けられている。出射面保護層３８は、一例としてシリコン窒化膜を着膜して形成される。
ところで、上記のような発光デバイス（ＶＣＳＥＬ）は、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに２次元集積によるアレイ化が容易であることなどから、電子写真システムの書き込み用光源や光通信用光源として利用されている。
発光デバイスは、半導体基板（基板１２）上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器（下部ＤＢＲ１６及び上部ＤＢＲ２６）、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性領域（活性層、下部スペーサ層、及び上部スペーサ層を含む活性領域２４）を備えて構成されている。そして、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極（ｐ側電極配線３６及びｎ側電極配線３０）により活性層へ電流を注入し、基板面に対して垂直にレーザ発振を生じさせ、素子の上部（出射面保護層３８の面側）から発振した光を出射させる構成となっている。
また、低閾値電流化、横モードの制御性等の観点から組成にＡｌを含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄層（酸化狭窄層３２）を備えており、このＡｌを含む半導体層を酸化するために、素子はメサ形状にエッチング加工され、酸化処理が施される。その後、エッチング加工により露出したメサ形状の側面やエッチングされた半導体表面は、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの絶縁材料によって覆われるのが一般的である。
一方、ＶＣＳＥＬに限らず半導体レーザにおいては、温度変動や、電源変動等に伴って光出力が変動しないように安定化させることが求められる場合があり、その安定化の一方式としてＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）方式がある。ＡＰＣ方式とは、半導体レーザの光出力をモニタＰＤ等によってモニタ電流として検出し、検出されたモニタ電流を基準値と比較して差分値を求め、この差分値を用いて駆動電流を変え半導体レーザの光出力を負帰還制御する方式である。
半導体レーザとモニタＰＤとは、構成する半導体材料が異なる等の理由から、モノリシックに集積化することが困難である場合が多い。この場合は、半導体レーザの外部にモニタＰＤを設けることになる。従って、半導体レーザとモニタＰＤとをモノリシックに一体化できれば部品点数の削減につながり、またノイズ等の影響も受けにくくなり安定動作の上からも好ましい。
一方、モニタＰＤをモノリシックに集積化したＶＣＳＥＬの例として、メサ状の発光部を高抵抗領域で囲み、その高抵抗領域の周囲に、発光部と同じ層構造のモニタ用フォトダイオードを配置し、発光部の光強度分布の裾がモニタ用フォトダイオードの光吸収部に達するようにしたＶＣＳＥＬが知られている。しかしながら、このＶＣＳＥＬの例では、発光部がモニタＰＤによって包囲されているため、製造工程における酸化処理によって発光部内に酸化狭窄層を形成することができない。上述したように、酸化狭窄層を欠くと低閾値電流化等の制御が困難になる。
そこで本実施の形態に係る発光デバイスでは、発光部とモニタＰＤとを共通の半導体層を有する一体のメサとして形成し、発光部で発光した光の一部を基板面に対して平行に伝播させ、伝播された光がモニタＰＤで受光されるようにした構造を採用している。本実施の形態に係る発光デバイスでは、発光部とモニタＰＤとが一体のメサで形成されているため、酸化狭窄層を形成するための酸化処理を施すことができる。
発光デバイス１０では、メサＭに対する酸化処理により、非酸化領域３２ａと酸化領域３２ｂが形成される。図１（ｂ）に示す境界１８は、非酸化領域３２ａと酸化領域３２ｂとの境界を示している。つまり、境界１８で区画された非酸化領域３２ａがメサＭ１からメサＭ２にかけて形成されている。
酸化領域３２ｂは酸化されて電気抵抗が高くなるので非導電領域として機能し、ｐ側電極パッド４２から注入された電流は非酸化領域３２ａに閉じ込められる。また、半導体は酸化されると一般に屈折率が低下するので、非酸化領域３２ａの屈折率は酸化領域３２ｂの屈折率よりも大きくなる。そのため、発光部で発光した光は、低屈折率の酸化領域３２ｂによって囲まれた非酸化領域３２ａに閉じ込められる。つまり、酸化狭窄層によって非酸化領域３２ａ内に光と電流が閉じ込められる。
発光デバイス１０では、非酸化領域３２ａが、メサＭ１で構成された発光部からメサＭ２で構成された受光部にかけて形成されているため、発光部で発生したレーザ発振光の一部が、基板１２に対して平行方向（すなわち、発光部での発振方向と交差する方向、以下「横方向」という場合がある）に伝播し、受光部（モニタＰＤ）に到達して電流に変換される。
このように、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、メサＭ１による発光部とメサＭ２による受光部とが光学的に結合されることにより結合共振器が構成され、発光部から染み出した光が結合部４０を伝播し、受光部に接続された検出部でモニタ電流として検出される。つまり、本実施の形態に係る発光デバイス１０によれば、小型で簡易なデバイス構造で、高効率なモニタＰＤ一体型発光デバイスが実現される。なお、検出部ではモニタ電流を電圧に変換して検出する場合が多いので、以下では検出部の一例として「電流−電圧変換部」を例示して説明する。
図２を参照して、本実施の形態に係る結合共振器についてより詳細に説明する。上述したように、発光デバイス１０ではメサＭ１によって発光部５０（ＶＣＳＥＬ）が形成され、メサＭ２によって受光部（モニタＰＤ）５２が形成されている。発光部５０では、ｐ側電極パッド４２−１にＶＣＳＥＬ用電源（図示省略）の正極を接続し、ｎ側電極パッド４４−２に負極を接続する（順バイアス）。そして、ｐ側電極パッド４２−１とｎ側電極パッド４４−２との間に駆動電流を流すことによって、図２に示すように、下部ＤＢＲ１６と上部ＤＢＲ２６とで形成された共振器で発振光Ｌｖが発生する。発振光Ｌｖの一部は、出射面保護層３８から出射光Ｌｏとして出射される。
図２に示すように、発振光Ｌｖの一部は伝播光Ｌｍ（モニタ光）として横方向に伝播する。この伝播光Ｌｍは、下部ＤＢＲ１６と上部ＤＢＲ２６とで形成された共振器を全反射しつつ発光部５０から受光部５２へと伝播する。そのため、伝播光Ｌｍは群速度が低下し、いわゆるスローライトとなっている。一方、受光部５２では、ｎ側電極パッド４４−１にモニタＰＤ用電源（図示省略）の正極を接続し、ｐ側電極パッド４２−２に負極を接続する（逆バイアス）。そして、ｎ側電極パッド４４−１とｐ側電極パッド４２−２との間に伝播光Ｌｍによる受光電流を流すことによって、発光部５０における光出力をモニタする。この際、受光部５２の光吸収層は、発光部を構成する活性領域２４と兼用となっている。そのため、受光部５２を構成する光吸収層としては必ずしも十分な膜厚とはなっていない。しかしながら、本実施の形態に係るモニタ光は上記のようにスローライトなので、薄い光吸収層でもキャリアが発生しやすく十分な光電流（フォトカレント）が得られる。
次に、本実施の形態に係る結合部４０の作用について説明する。図１（ｂ）に示すように、結合部４０では非酸化領域３２ａ及び酸化領域３２ｂがくびれた形状となっている。そのため、非酸化領域３２ａの幅が、図２に示す発光部５０から受光部５２にかけて、「広い」→「狭い」→「広い」となっている。
一方、酸化領域３２ｂの面積の非酸化領域３２ａの面積に対する割合でみると、「小さい」→「大きい」→「小さい」となっている。ここで、上記のように、非酸化領域３２ａの屈折率は酸化領域３２ｂの屈折率より大きい。周知のように、光導波路において周囲に屈折率の小さい物質の割合が多くなると光導波路を伝播する光が感ずる屈折率（等価屈折率、又は実効屈折率）が低下する。そのため、結合部４０における非酸化領域３２ａの等価屈折率は、両側の発光部５０及び受光部５２の非酸化領域３２ａの等価屈折率よりも低くなっている。すなわち、非酸化領域３２ａの等価屈折率が、発光部５０から受光部５２にかけて、「高い」→「低い」→「高い」となっている。なお、本実施の形態で用いられる等価屈折率とは、基板に対して垂直方向に積層している、屈折率の異なる半導体層の実効的な屈折率（多層半導体層の屈折率を単層の屈折率とみなす）を、等価屈折率法によって求められたものを指す。
発光デバイス１０では、上述した構成の等価屈折率分布を有することによって、発光部５０（ＶＣＳＥＬ）で発光した光が効率よく非酸化領域３２ａに閉じ込められるとともに、発光部５０から光（スローライト）が染み出し受光部５２で受光される。なお、発光部５０から受光部５２にかけての、非酸化領域３２ａの等価屈折率が「高い」→「高い」→「高い」、すなわちほぼ一様となっている場合には発光部５０における光の閉じ込めが困難である。一方、発光部５０から受光部５２にかけての、非酸化領域３２ａの等価屈折率が、「高い」→「低い」→「低い」となっている場合には発光部５０における光の閉じ込めは可能であるが、染み出す光が少なくなり、例えばモニタ電流の検出が困難となり、またＳ／Ｎ比も悪くなる。
なお、本実施の形態では、結合部４０における非酸化領域３２ａの幅を狭くすることにより、等価屈折率を「高い」→「低い」→「高い」とする形態を例示して説明たが、これに限られない。例えば、結合部４０の位置（発光部５０と受光部５２との間）に溝を設けて、等価屈折率を「高い」→「低い」→「高い」とする形態としてもよい。また、幅を狭くする構成と溝を設ける構成とを組み合わせてもよい。なお、この場合、該溝には周囲の半導体層よりも屈折率の低い物質（一例として空気）を充填すればよい。
次に、図３を参照して、発光部５０（ＶＣＳＥＬ）における出射光Ｌｏとモニタ電流Ｉｍとの関係について説明する。図３（ａ）では電流の流れが直感的に理解できるように、電極を模式化して描いている。すなわち、図３（ａ）に示すように発光部５０にはｐ側電極パッド４２−１とｎ側電極パッド４４−２とが接続され、受光部５２には、ｎ側電極パッド４４−１とｐ側電極パッド４２−２とが接続されている。
図３（ａ）に示すように、発光部５０では、ｐ側電極パッド４２−１にＶＣＳＥＬ用電源（図示省略）の正極を接続し、ｎ側電極パッド４４−２に負極を接続してｐ側電極パッド４２−１とｎ側電極パッド４４−２との間に駆動電流Ｉｖを流すことにより、下部ＤＢＲ１６と上部ＤＢＲ２６とで形成された共振器で発振光Ｌｖが発生する。発振光Ｌｖの一部は、発光面（出射面保護層３８が存在する面）から出射光Ｌｏとして出射される。一方、発振光Ｌｖの一部は伝播光Ｌｍとして横方向に伝播し、受光部５２に入射される。受光部５２では、ｎ側電極パッド４４−１にモニタＰＤ用電源（図示省略）の正極を接続し、ｐ側電極パッド４２−２に負極を接続してｎ側電極パッド４４−１とｐ側電極パッド４２−２との間に伝播光Ｌｍによるモニタ電流Ｉｍ（光電流）を流すことによって、発光部５０における光出力をモニタする。すなわち、発光部５０（ＶＣＳＥＬ）の光出力Ｐｏに応じて伝播光Ｌｍの横方向への染み出し量が変化し、その変化量に応じてモニタ電流Ｉｍ（光電流）の値が変化する。
図３（ｂ）は、駆動電流Ｉｖ、出射光Ｌｏの光パワーである光出力Ｐｏ、及びモニタ電流Ｉｍの間の関係を示すグラフである。
図３（ｂ）に示すように、発光部５０（ＶＣＳＥＬ）は、基本的に駆動電流Ｉｖに略比例する光出力Ｐｏが発生するが、発光部５０は固有の閾値電流（スレッショルド電流）Ｉｔｈを有し、駆動電流Ｉｖがこの閾値電流Ｉｔｈを越えると光出力Ｐｏが発生する。一方、モニタ電流Ｉｍは光出力Ｐｏにほぼ比例して発生する。従って、モニタ電流Ｉｍを用いて発光部５０の光出力Ｐｏの監視が可能となる。
次に、図４を参照してＡＰＣ制御部５４について説明する。図４は、発光デバイス１０と発光デバイスに接続されたＡＰＣ制御部５４を示している。
図４に示すように、ＡＰＣ制御部５４は、電流−電圧変換部、基準電圧発生部、比較部、及び駆動部を含んで構成されている。電流−電圧変換部は、発光デバイス１０の受光部５２で発生したモニタ電流Ｉｍを入力し、該モニタ電流Ｉｍをモニタ電圧Ｖｍに変換する。モニタ電圧Ｖｍもモニタ電流Ｉｍ同様光出力Ｐｏに比例している。基準電圧発生部は、モニタ電圧Ｖｍに対する基準電圧Ｖｒを発生する部位であり、基準電圧Ｖｒは光出力Ｐｏの目標値を決定している。なお、電流−電圧変換部は、例えばモニタ電流Ｉｍを流してモニタ電流Ｉｍに比例するモニタ電圧Ｖｍを発生する抵抗で構成する。その際、モニタ電流Ｉｍを入力とし、モニタ電流Ｉｍに比例する電流を発生させるカレントミラー回路を用い、該抵抗を負荷としてもよい。また、電流−電圧変換部はこれらの回路に限らず、必要に応じ増幅回路等を設けてもよい。
比較部は、モニタ電圧Ｖｍと基準電圧Ｖｒと比較し、誤差電圧Ｖｅを発生する部位であり、ＡＰＣ制御ではこの誤差電圧Ｖｅがゼロに近づくように制御される。駆動部は、誤差電圧Ｖｅに応じた駆動電流Ｉｖを発生させ、発光デバイス１０の発光部５０に負帰還させる部位である。なお、駆動電流は駆動電圧であってもよい。
発光デバイス１０では、以上のように構成されたＡＰＣ制御部５４によって発光部５０の光出力Ｐｏを制御することにより、光出力Ｐｏの安定化を図っている。
次に、図５及び図６を参照して、実施の形態に係る発光デバイス１０の製造方法について説明する。本実施の形態では、１枚のウエハ上に複数の発光デバイス１０が形成されるが、以下ではそのうちの１つの発光デバイス１０について図示し説明する。
図５（ａ）に示すように、まず、半絶縁性ＧａＡｓの基板１２上に、ｎ型のコンタクト層１４、ｎ型の下部ＤＢＲ１６、活性領域２４、ｐ型の上部ＤＢＲ２６、及びｐ型のコンタクト層２８をこの順にエピタキシャル成長させる。
その際、ｎ型のコンタクト層１４は、一例として、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３とし、膜厚を２μｍ程度として形成する。また、ｎ型の下部ＤＢＲ１６は、一例として、各々の膜厚が媒質内波長λ／ｎの１／４とされた、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に３７．５周期積層して形成される。Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層のキャリア濃度及びＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のキャリア濃度は、各々約２×１０１８ｃｍ−３とされ、下部ＤＢＲ１６の総膜厚は約４μｍとされる。また、ｎ型キャリアとしては、一例として、Ｓｉ（シリコン）を用いる。
活性領域２４は、一例として、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層による下部スぺーサ層と、ノンドープの量子井戸活性層と、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層による上部スぺーサ層とで形成される。量子井戸活性層は、例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによる４層の障壁層、及び各障壁層の間に設けられたＧａＡｓによる３層の量子井戸層で構成される。Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによる障壁層の膜厚は各々約８ｎｍとされ、ＧａＡｓによる量子井戸層の膜厚は各々約８ｎｍとされ、活性領域２４全体の膜厚は媒質内波長λ／ｎとされる。
ｐ型の上部ＤＢＲ２６は、一例として、各々の膜厚が媒質内波長λ／ｎの１／４とされた、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に２５周期積層して形成される。この際、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層のキャリア濃度及びＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のキャリア濃度は、各々約４×１０１８ｃｍ−３とされ、上部ＤＢＲ２６の総膜厚は約３μｍとされる。また、ｐ型キャリアとしては、一例として、Ｃ（カーボン）を用いる。さらに、上部ＤＢＲ２６中には、後述の工程において酸化狭窄層３２を形成するためのＡｌＡｓ層が含まれている。
ｐ型のコンタクト層２８は、一例として、キャリア濃度を約１×１０１９ｃｍ−３以上とし、膜厚を１０ｎｍ程度として形成する。
次に、エピ成長の完了したウエハのコンタクト層２８上に電極材料を成膜した後、該材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図５（ｂ）に示すように、Ｐ側電極配線３６を取り出すためのコンタクトメタルＣＭｐを形成する。コンタクトメタルＣＭｐは、一例として、Ｔｉ／Ａｕの積層膜を用いて形成される。
次に、ウエハ面上に出射面保護層となる材料を成膜した後、該材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図５（ｂ）に示すように、出射面保護層３８を形成する。出射面保護層３８の材料としては、一例として、シリコン窒化膜を用いる。
次に、フォトリソグラフィによりマスクを形成した後、出射面保護層３８を介してプロトンＨ＋等をイオン注入し、図５（ｃ）に示すように電流阻止領域６０を形成する。
次に、フォトリソグラフィ及びエッチングによりウエハ面上にマスクを形成し、該マスクを用いてドライエッチングし、図５（ｄ）に示すようにメサＭＳ１を形成する。メサＭＳ１の形成に際しては、平面視で図１（ｂ）に示すメサＭ１、Ｍ２に相当する層を有するメサＭが形成されるようにするエッチングする。
次に、ウエハに酸化処理を施して上記のＡｌＡｓ層を側面から酸化し、図５（ｅ）に示すように、メサＭＳ１内に酸化狭窄層３２を形成する。酸化狭窄層３２は、非酸化領域３２ａおよび酸化領域３２ｂを含んで構成されている。酸化領域３２ｂが上記酸化処理により酸化された領域であり、酸化されないで残された領域が非酸化領域３２ａである。非酸化領域３２ａは、図１（ｂ）に示すようにメサＭ１からＭ２にかけて連続して形成される。
次に、フォトリソグラフィ及びエッチングによりウエハ面上にマスクを形成し、該マスクを用いてドライエッチングし、図５（ｆ）に示すようにメサＭＳ２を形成する。
次に、フォトリソグラフィ及びエッチングによりウエハ面上にマスクを形成し、該マスクを用いてドライエッチングし、図６（ａ）に示すようにメサＭＳ３を形成する。
コンタクト層１４上に電極材料を成膜した後、該材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図６（ｂ）に示すように、ｎ側電極配線３０を取り出すためのコンタクトメタルＣＭｎを形成する。コンタクトメタルＣＭｎは、一例として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層膜を用いて形成される。
次に、図６（ｃ）に示すように、ウエハの出射面保護層３８、コンタクトメタルＣＭｐ、ＣＭｎを除く領域にシリコン窒化膜による層間絶縁膜３４を成膜する。
次に、ウエハ面上に電極材料を成膜した後、該電極材料を例えばフォトリソグラフィによるマスクを用いてドライエッチングし、図６（ｄ）に示すように、ｐ側電極配線３６及びｐ側電極パッド４２、ｎ側電極配線３０及びｎ側電極パッド４４を形成する。ｐ側電極配線３６及びｐ側電極パッド４２、ｎ側電極配線３０及びｎ側電極パッド４４は、一例として、Ｔｉ／Ａｕの積層膜を用いて形成する。本工程により、ｐ側電極配線３６がコンタクトメタルＣＭｐと接続され、ｎ側電極配線３０がコンタクトメタルＣＭｎと接続される。
次に、図示しないダイシング領域においてダイシングし、発光デバイス１０を分離して個片化する。以上の工程により、本実施の形態に係るｐ側電極パッド４２、ｎ側電極パッド４４を含む発光デバイス１０が製造される。
［第２の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る発光デバイス１０ａについて説明する。発光デバイス１０ａは、電流阻止領域６０を電流阻止領域６０ａに変更し、結合部４０を結合部４０ａに変更し、半導体層のくびれをなくした形態である。従って、電流阻止領域、結合部以外の構成は上記実施の形態の発光デバイス１０と同様なので、同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、発光デバイス１０ａでは、メサＭ１とＭ２との間に配置された結合部４０ａの位置に電流阻止領域６０ａと凹部６２とが配置されている。電流阻止領域６０ａは電流阻止領域６０と異なり、上部ＤＢＲ２６の一部に設けられている。すなわち、電流阻止領域６０ａは、酸化狭窄層３２の上部から上部ＤＢＲ２６の予め定められた高さまで形成されており、電流阻止領域６０ａの上部には凹部６２が配置されている。
本実施の形態に係る発光デバイス１０ａでは、凹部６２が等価屈折率を下げる作用を有するので、図７（ｂ）に示すように、半導体層にくびれを設けなくてもメサＭ１からメサＭ２にかけての等価屈折率が「高い」→「低い」→「高い」とされる。従って、メサＭの加工形状をより簡略化しつつ、発光部で発光した光が効率よく非酸化領域３２ａに閉じ込められるとともに、発光部から光（スローライト）が染み出し受光部５２で受光される。
なお、発光デバイス１０ａの製造は上記実施の形態に係る発光デバイス１０に準じて行われる。すなわち、発光デバイス１０ａの場合は、図５（ａ）の状態において予め上部ＤＢＲ２６の途中まで凹部６２を形成し、図５（ｂ）に示すように出射面保護層３８を形成後、図５（ｃ）に示すようにプロトンＨ＋等をイオン注入して電流阻止領域６０ａを形成すればよい。
また、上記実施の形態では凹部６２と電流阻止領域６０ａを併用する形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば凹部６２のみを設ける形態としてもよい。上述したように凹部６２においては非酸化領域３２ａにおける屈折率が低下するので、必ずしも凹部６２の位置にくびれ部を設ける必要はない。
［第３の実施の形態］
図８及び図９を参照して、本実施の形態に係る発光デバイス１０ｂないし発光デバイス１０ｅについて説明する。本実施の形態は、上記各実施の形態において、メサＭの形状、及び結合部の形状を変えた形態である。
上記各実施の形態では、平面視でメサＭ１とＭ２とが対称である形態を例示して説明したが、これに限られない。例えば、図８（ａ）に示す発光デバイス１０ｂのようにメサＭ１とＭ２とが非対称な形状であってもよく、この場合は結合部４０ｂの形状も平面視で非対称となる。その際、図８（ａ）に示すように、発光部を構成するメサＭ１より受光部を構成するメサＭ２の方を大きくすると、モニタ電流Ｉｍの検出効率が向上する。
また、上記各実施の形態では、メサＭ１及びメサＭ２が矩形の形態を例示して説明したが、これに限られず、図８（ｂ）に示す発光デバイス１０ｃのように円形としてもよい。
なお、発光デバイス１０ｂ、１０ｃでは各々くびれ部を有する結合部４０ｂ、４０ｃを備えているので、各々電流阻止領域６０ｂ、６０ｃのみを有する形態であってもよいし、むろん上記凹部を併用する形態であってもよい。
図９は結合部の位置に、図７（ａ）に示すような凹部を設けた形態である。先述したように、凹部を設けるとその位置の非酸化領域３２ａの等価屈折率が低下するので、必ずしも半導体層にくびれ部を設ける必要がない。
図９（ａ）は略正方形のメサＭ１と長方形のメサＭ２とを接続した発光デバイス１０ｄの形態であり、結合部４０ｄにはくびれを設けていない。発光デバイス１０ｄでは、メサＭ２の等価屈折率がメサＭ１の等価屈折率より低い一定値となっている。しかしながら、電流阻止領域６０ｄの位置に配置された凹部（図示省略）により、電流阻止領域６０ｄの位置における等価屈折率がメサＭ２の等価屈折率より低い値となっている。そのため、メサＭ１からメサＭ２にかけての間にメサＭ２よりも等価屈折率が低い領域が存在することになる。従って、発光デバイス１０ｄによっても、発光部で発光した光が効率よく非酸化領域３２ａに閉じ込められるとともに、発光部から光（スローライト）が染み出し受光部５２で受光される。
図９（ｂ）はメサＭの全体の形状を１つの長方形として、メサＭ１とメサＭ２とを形成した発光デバイス１０ｅの形態であり、結合部４０ｅにはくびれを設けていない。従って、非酸化領域３２ａの等価屈折率はメサＭ１からＭ２にかけて一定である。しかしながら、電流阻止領域６０ｅの位置に配置された凹部により、電流阻止領域６０ｅの位置における等価屈折率がメサＭ１、Ｍ２の等価屈折率より低い値となっている。そのため、メサＭ１からメサＭ２にかけての間にメサＭ１、Ｍ２よりも等価屈折率が低い領域が存在することになる。従って、発光デバイス１０ｅによっても、発光部で発光した光が効率よく非酸化領域３２ａに閉じ込められるとともに、発光部から光（スローライト）が染み出し受光部５２で受光される。
なお、上記各実施の形態ではＡＰＣ制御部５４を発光デバイス１０とを別体とする形態を例示して説明したがこれに限られない。例えば、発光デバイス１０とＡＰＣ制御部５４とを同じ半導体プロセスを用いて集積化し、１チップとする構成としてもよい。また、ＡＰＣ制御部５４のうちの電流−電圧変換部のみを発光デバイスと集積化する形態としてもよく、この場合は、例えばモニタ電流検出用の抵抗、あるいは抵抗とカレントミラーとを組み合わせた回路を発光デバイスと集積化すればよい。
また、上記実施の形態では、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系の発光デバイスを例示して説明したが、これに限られず、ＧａＮ（窒化ガリウム）による基板、あるいはＩｎＰ（リン化インジウム）による基板を用いた形態としてもよい。
また、上記実施の形態では、基板にｎ型のコンタクト層を形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、基板にｐ型のコンタクト層を形成する形態としてもよい。その場合には、上記の説明において、ｎ型とｐ型を逆に読み替えればよい。
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 発光デバイス
１２ 基板
１４ コンタクト層
１６ 下部ＤＢＲ
１８ 境界
２４ 活性領域
２６ 上部ＤＢＲ
２８ コンタクト層
３０ ｎ側電極配線
３２ 酸化狭窄層
３２ａ 非酸化領域
３２ｂ 酸化領域
３４ 層間絶縁膜
３６ ｐ側電極配線
３８ 出射面保護層
４０、４０ａ〜４０ｅ 結合部
４２、４２−１、４２−２ ｐ側電極パッド
４４、４４−１、４４−２ ｎ側電極パッド
５０ 発光部
５２ 受光部
５４ ＡＰＣ制御部
６０、６０ａ〜６０ｅ 電流阻止領域
６２ 凹部
ＣＭｐ、ＣＭｎ コンタクトメタル
Ｉｔｈ 閾値電流
Ｌｏ 出射光
Ｌｖ 発振光
Ｌｍ 伝播光
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２ メサ
ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３ メサ
Ｉｍ モニタ電流
Ｉｖ 駆動電流
Ｐｏ 光出力

Claims (4)

  1. 発光部を有する第１のメサ構造体と、
    前記第１のメサ構造体と共通の半導体層で接続され、前記発光部から当該半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部を有する第２のメサ構造体と、
    前記受光部に接続されると共に前記受光部が受光した光の光量を検出する検出部と、
    前記第１のメサ構造体及び前記第２のメサ構造体に跨って設けられた、酸化領域と非酸化領域とを含む酸化狭窄層と、を備え、
    発光面側から見た場合に、前記第１のメサ構造体の面積よりも前記第２のメサ構造体の面積の方が大きい
    発光デバイス。
  2. 前記非酸化領域は、発光面側から見た場合に、前記第１のメサ構造体と前記第２のメサ構造体との接続部でくびれた形状である
    請求項１に記載の発光デバイス。
  3. 前記第１のメサ構造体と前記第２のメサ構造体との間には、前記発光部の上面から前記発光部の活性層には至らない深さまでの凹部が形成されている
    請求項１又は請求項２に記載の発光デバイス。
  4. 前記第１のメサ構造体と前記第２のメサ構造体との間には、電流の流れを阻止する電流阻止領域が形成されている
    請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光デバイス。
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