JP7258591B2 - 垂直共振器型発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザなどの垂直共振器型発光素子に関する。
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）は、基板上に積層された多層膜からなる反射鏡を有し、当該基板の表面に垂直な方向に沿って光を出射する半導体レーザである。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。
特許第5707742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おいては、発光パターンが安定していること、例えば遠視野像が安定していることが好ましい。このためには、例えば、垂直共振器型発光素子内には、所望の横モードの光を生成できる共振器が構成されていることが好ましい。例えば、基本固有モードのレーザ光を生成することで、放射角が狭く、単峰性な高出力のレーザ光の遠視野像を得ることができる。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、安定した横モードの光を出射することが可能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、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、発光層を含む発光構造層と、発光構造層上に形成され、第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有し、第２の多層膜反射鏡は、低屈折率材料からなる低屈折率膜と低屈折率材料よりも大きな屈折率を有する高屈折率材料からなる高屈折率膜とが交互に積層された第１の多層膜と、第１の多層膜の上面を覆いかつ発光層から放出された光に対して透光性を有する中間膜と、中間膜の上面を部分的に覆うように形成され、低屈折率材料からなる低屈折率膜と高屈折率材料からなる高屈折率膜とが交互に積層された第２の多層膜と、を含み、中間膜は、発光層から放出される光の中間膜内の波長の１／２に基づいた膜厚を有することを特徴としている。
実施例１に係る面発光レーザの上面図である。 実施例１に係る面発光レーザの断面図である。 実施例１に係る面発光レーザにおける第２の多層膜反射鏡の側面図である。 実施例１に係る面発光レーザの製造方法を示す図である。 実施例１に係る面発光レーザの製造方法を示す図である。 実施例１に係る面発光レーザにおける第２の多層膜反射鏡の第１の多層膜内でのミラー損失の程度を示す図である。 実施例２に係る面発光レーザの上面図である。 実施例２に係る面発光レーザの断面図である。 実施例３に係る面発光レーザの上面図である。 実施例３に係る面発光レーザの断面図である。 実施例３に係る面発光レーザにおける第２の多層膜反射鏡の側面図である。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。また、以下の実施例においては、本発明が面発光レーザ（半導体レーザ）として実施される場合について説明する。しかし、本発明は、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、面発光レーザと称する）の模式的な上面図である。また、図２は、面発光レーザ１０の断面図である。図２は、図１の２－２線に沿った断面図である。図１及び図２を用いて、面発光レーザ１０の構成について説明する。
面発光レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成された第１の多層膜反射鏡（以下、単に第１の反射鏡と称する）１２と、を有する。本実施例においては、第１の反射鏡１２は、基板１１上に形成され、第１の半導体膜（以下、高屈折率半導体膜と称する）Ｈ１と高屈折率半導体膜Ｈ１よりも低い屈折率を有する第２の半導体膜（以下、低屈折率半導体膜と称する）Ｌ１とが交互に積層された構造を有する。本実施例においては、第１の反射鏡１２は、半導体材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を構成する。
本実施例においては、基板１１は、ＧａＮの組成を有する。また、基板１１は、第１の反射鏡１２の結晶成長に用いられる成長用基板である。また、第１の反射鏡１２における高屈折率半導体膜Ｈ１はＧａＮの組成を有し、低屈折率半導体膜Ｌ１はＡｌＩｎＮの組成を有する。なお、本実施例においては、基板１１と第１の反射鏡１２との間にはＧａＮの組成を有するバッファ層（図示せず）が設けられている。
面発光レーザ１０は、第１の反射鏡１２上に形成され、発光層１４を含む発光構造層ＥＭ１を有する。本実施例においては、発光構造層ＥＭ１は、窒化物系半導体からなる複数の半導体層を含む。発光構造層ＥＭ１は、第１の反射鏡１２上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１３と、ｎ型半導体層１３上に形成された発光層（活性層）１４と、発光層１４上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層）１５と、を有する。
本実施例においては、ｎ型半導体層１３は、ＧａＮの組成を有し、Ｓｉをｎ型不純物として含む。発光層１４は、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。また、ｐ型半導体層１５は、ＧａＮ系の組成を有し、Ｍｇをｐ型不純物として含む。
なお、発光構造層ＥＭ１の構成はこれに限定されない。例えば、ｎ型半導体層１３は、互いに組成が異なる複数のｎ型の半導体層を有していてもよい。また、ｐ型半導体層１５は、互いに組成が異なる複数のｐ型の半導体層を有していてもよい。
例えば、ｐ型半導体層１５は、発光層１４との界面に、発光層１４に注入された電子のｐ型半導体層１５へのオーバーフローを防止する電子ブロック層（図示せず）として、例えばＡｌＧａＮ層を有していてもよい。また、ｐ型半導体層１５は、電極とのオーミックコンタクトを形成するためのコンタクト層（図示せず）を有していてもよい。この場合、例えば、ｐ型半導体層１５は、当該電子ブロック層及びコンタクト層間に、クラッド層としてのＧａＮ層を有していればよい。
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１５は、上面に凸部１５Ａを有する。本実施例においては、凸部１５Ａは、円柱形状を有する。また、面発光レーザ１０は、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ａ以外の上面上に形成された絶縁層（第１の絶縁層）１６を有する。絶縁層１６は、発光層１４から放出された光に対して透光性を有し、ｐ型半導体層１５（凹部１５Ａ）よりも低い屈折率を有する材料、例えば、ＳｉＯ2などの酸化物からなる。ｐ型半導体層１５は、凸部１５Ａの上端面において絶縁層１６から露出している。
面発光レーザ１０は、絶縁層１６上に形成され、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ａにおいてｐ型半導体層１５に接続された透光電極層１７を有する。透光電極層１７は、発光層１４から放出された光に対して透光性を有する導電性の膜である。透光電極層１７は、絶縁層１６の上面及びｐ型半導体層１５の凸部１５Ａの上端面に接触している。例えば、透光電極層１７は、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる。
絶縁層１６は、透光電極層１７を介して発光構造層ＥＭ１に注入される電流を狭窄する電流狭窄層として機能する。具体的には、ｐ型半導体層１５における凸部１５Ａの外側の上面領域は、絶縁層１６に覆われることで、他の領域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。従って、発光構造層ＥＭ１内の電流路は、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ａの領域に狭窄される。
面発光レーザ１０は、透光電極層１７上に形成された絶縁層（第２の絶縁層）１８を有する。例えば、絶縁層１８は、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2などの絶縁性の金属酸化物からなる。また、絶縁層１８は、発光層１４から放出された光に対して透光性を有する。
面発光レーザ１０は、絶縁層１８上に形成された第２の多層膜反射鏡（以下、単に第２の反射鏡と称する）１９を有する。第２の反射鏡１９は、発光構造層ＥＭ１を挟んで第１の反射膜１２に対向する位置に配置されている。第２の反射鏡１９は、第１の反射鏡１２との間で、発光構造層ＥＭ１に垂直な方向（基板１１に垂直な方向）を共振器長方向とする共振器ＯＣ１を構成する。
本実施例においては、第２の反射鏡１９は、第１の誘電体膜（以下、高屈折率誘電体膜と称する）Ｈ２と高屈折率誘電体膜Ｈ２よりも低い屈折率を有する第２の誘電体膜（以下、低屈折率誘電体膜と称する）Ｌ２とが交互に積層された構造を有する。
すなわち、本実施例においては、第２の反射鏡１９は、誘電体材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を構成する。例えば、本実施例においては、高屈折率誘電体膜Ｈ２はＮｂ2Ｏ5膜からなり、低屈折率誘電体膜Ｌ２はＳｉＯ2膜からなる。
また、本実施例においては、第２の反射鏡１９は、各々が複数の高屈折誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２を含む第１及び第２の誘電体多層膜（以下、第１及び第２の多層膜と称する）１９Ａ及び１９Ｂと、第１及び第２の多層膜１９Ａ及び１９Ｂ間に形成され、高屈折率誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２よりも小さなエッチング速度を有する中間誘電体膜（中間膜）１９Ｃと、を有する。
中間誘電体膜１９Ｃは、例えば、Ａｌ2Ｏ3膜からなり、例えばＮｂ2Ｏ5膜及びＳｉＯ2膜の１／１０以下のドライエッチングに対するエッチング速度を有する。また、中間誘電体膜１９Ｃの他の例としては、ＡｌＮ膜が挙げられる。
本実施例においては、中間誘電体膜１９Ｃは、第２の反射鏡１９内において、高屈折率誘電体膜Ｈ２の中間に形成されている。具体的には、本実施例においては、第１の多層膜１９Ａは、その上面に、高屈折率誘電体膜Ｈ２の半分の膜厚の高屈折率誘電体膜（以下、第１の低膜厚高屈折率誘電体膜）Ｈ２１を有する。中間誘電体膜１９Ｃは、第１の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１上に形成されている。また、第２の多層膜１９Ｂは、中間誘電体膜１９Ｃとの界面に高屈折率誘電体膜（第２の高屈折率誘電体膜）Ｈ２１を有する。
また、第２の多層膜１９Ｂは、中間誘電体膜１９Ｃの面内方向において中間誘電体膜１９Ｃの内側に設けられている。本実施例においては、第１の多層膜１９Ａ及び中間誘電体膜１９Ｃは、同一の幅を有する。また、本実施例においては、第１の多層膜１９Ａ及び中間誘電体膜１９Ｃは、同一の直径を有する円柱形状を有する。
また、第２の多層膜１９Ｂは、中間誘電体膜１９Ｃよりも小さな幅を有する。また、本実施例においては、第２の多層膜１９Ｂは、第１の多層膜１９Ａ及び中間誘電体膜１９Ｃと同軸に形成され、かつ第１の多層膜１９Ａ及び中間誘電体膜１９Ｃよりも小さな直径を有する円柱形状を有する。
また、本実施例においては、図１に示すように、面発光レーザ１０は、第２の反射鏡１９の第１の多層膜１９Ａの形状に対応する断面形状、本実施例においては円柱形状の共振器ＯＣ１を有する。
面発光レーザ１０は、第２の反射鏡１９上に形成された金属膜２０を有する。本実施例においては、金属膜２０は、発光層１４から放出される光に対して反射性を有する。また、金属膜２０は、第２の多層膜１９Ｂの上面を覆う第１の金属膜２１と、中間誘電体膜１９Ｃの第２の多層膜１９Ｂから露出した上面領域を覆う第２の金属膜２２と、を含む。例えば、金属膜２０は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｎなどの金属材料からなる。
また、面発光レーザ１０は、発光構造層ＥＭ１に電流を印加する第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２を有する。第１の電極Ｅ１は、ｎ型半導体層１３上に形成されている。また、第２の電極Ｅ２は、透光電極層１７上に形成されている。
第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２間に電圧が印加されると、発光構造層ＥＭ１の発光層１４から光が放出される。発光層１４から放出された光は、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間において反射を繰り返し、共振状態に至る（レーザ発振を行う）。
また、本実施例においては、第１の反射鏡１２は、第２の反射鏡１９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間で共振した光は、その一部が第１の反射鏡１２及び基板１１を透過し、外部に取出される。このようにして、面発光レーザ１０は、基板１１に及び発光構造層ＥＭ１に垂直な方向に光を出射する。
なお、発光構造層ＥＭ１における電流狭窄部であるｐ型半導体層１５の凸部１５Ａは、発光層１４における発光領域を画定し、その中心を通る軸である共振器ＯＣ１の中心軸（発光中心軸）ＣＡを画定する。例えば、共振器ＯＣ１の中心軸ＣＡは、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ａの中心を通り、ｐ型半導体層１５（発光構造層ＥＭ１）に垂直な方向に沿って延びる。
なお、発光層１４の発光領域とは、例えば、発光層１４内における所定の強度以上の光が放出される所定の幅の領域であり、その中心が発光中心である。また、例えば、発光層１４の発光領域とは、発光層１４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に垂直な直線が中心軸ＣＡである。中心軸ＣＡは、第１及び第２の反射鏡１２及び１９によって構成される共振器ＯＣ１の共振器長方向に沿って延びる直線である。また、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。
ここで、面発光レーザ１０における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の反射鏡１２は、４４ペアのＧａＮ層及びＡｌＩｎＮ層からなる。ｎ型半導体層１３は、６５０ｎｍの層厚を有する。発光層１４は、４ｎｍのＩｎＧａＮ層及び５ｎｍのＧａＮ層が３回積層された多重量子井戸構造の活性層からなる。第２の反射鏡１９は、１０．５ペアのＮｂ2Ｏ5層及びＳｉＯ2層からなる。
また、ｐ型半導体層１５は、凸部１５Ａの領域において５０ｎｍの層厚を有する。ｐ型半導体層１５は、凸部１５Ａ以外の領域において３０ｎｍの層厚を有する。凸部１５Ａは、８μｍの外径を有する。また、絶縁層１６は、２０ｎｍの層厚を有する。絶縁層１６の上面は、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ａの上端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。なお、これらは一例に過ぎない。
図３は、第２の反射鏡１９の側面図である。図３を用いて、第２の反射鏡１９の詳細な構成について説明する。まず、第１の多層膜１９Ａは、絶縁層１８上に低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２がこの順で４回積層され、その最も上の低屈折率誘電体膜Ｌ２上に第１の低膜厚高屈折率誘電体層Ｈ２１が形成された構造を有する。
また、第２の多層膜１９Ｂは、中間誘電体膜１９Ｃ上に第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１が形成され、その上に低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２がこの順で５回積層され、その最も上の高屈折率誘電体膜Ｈ２上に低屈折率誘電体膜Ｌ２が形成された構造を有する。
また、図３に示すように、本実施例においては、第２の反射鏡１９は、１０個の高屈折率誘電体膜Ｈ２と、１１個目の低屈折率誘電体膜Ｌ２とからなる。また、第１及び第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１（６）は、最も上面側（金属膜２０側）から６つ目の高屈折率誘電体膜Ｈ２（６）の層厚を半分にして２つに分割した場合に相当する構成を有する。また、中間誘電体膜１９Ｃは、この第１及び第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１（６）の間に形成されている。
また、本実施例においては、低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２は、発光層１４から放出される光の各誘電体膜内の波長の１／４に対応する膜厚を有する。例えば、各誘電体膜の屈折率を屈折率ｎ（実際には低屈折率誘電体膜Ｌ２と高屈折率誘電体膜Ｈ２とで異なる）とし、発光層１４から放出される光の波長を波長λとした場合、各誘電体膜は、λ／４ｎの膜厚を有する。
一方、本実施例においては、第１及び第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１（６）は、その半分であるλ／８ｎの膜厚を有する。また、本実施例においては、中間誘電体膜１９Ｃは、λ／２ｎの膜厚を有する。
図４Ａ及び図４Ｂは、面発光レーザ１０の製造工程の一部を示す図である。図４Ａ及び図４Ｂを用いて、面発光レーザ１０の製造方法について説明する。まず、図４Ａは、第２の反射鏡１９となる多層膜である第１及び第２の多層膜１９Ａ及び１９ＢＰと中間誘電体膜１９Ｃとが形成された半導体ウェハの一部を示す断面図である。
まず、基板１１となる半導体ウェハ上に、第１の反射鏡１２、発光構造層ＥＭ１、絶縁層１６、透光電極層１７及び絶縁層１８を形成する。そして、絶縁層１８上に、低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２を複数回（本実施例においては５ペア）積層し、かつ第１の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１を形成して、第１の多層膜１９Ａを形成する（工程１）。
また、第１の多層膜１９Ａ上に、中間誘電体膜１９Ｃである高屈折率誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２よりも小さなエッチング速度を有する誘電体膜を形成する（工程２）。そして、中間誘電体膜１９Ｃ上に、第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１を形成し、低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２を５ペア積層し、かつ低屈折率誘電体膜Ｌ２を形成して、第２の多層膜１９ＢＰを形成する（工程３）。
次に、図４Ｂは、第２の多層膜１９ＢＰに対してエッチングを行った後の半導体ウェハの一部を示す断面図である。第２の多層膜１９ＢＰを形成した後、第２の多層膜１９ＢＰに対してエッチングを行い、第２の多層膜１９ＢＰを部分的に除去し、中間誘電体膜１９Ｃを部分的に露出させる。本実施例においては、第２の多層膜１９ＢＰに対してドライエッチングを行う。これによって、第２の多層膜１９Ｂが形成され、第２の反射鏡１９を形成する（工程４）。
ここで、中間誘電体膜１９Ｃは、第２の反射鏡１９内の他の誘電体膜よりも小さなエッチング速度を有する。従って、第２の多層膜１９ＢＰのエッチングを行った場合、エッチングを確実に中間誘電体膜１９Ｃの途中で停止することができる。すなわち、例えば、エッチングする部分において第２の多層膜１９ＢＰの底部の誘電体膜が一部残存したり、第１の多層膜１９Ａの一部がエッチングされたりすることなく、安定して第２の多層膜１９ＢＰのみをエッチングすることができる。
従って、エッチングの精度が大幅に安定する。従って、設計上の深さ位置又は設計上の膜の位置でエッチングが停止するように、多層膜を加工することができる。本実施例においては、第２の反射鏡１９としての反射特性を安定して調節することができる。
また、本実施例においては、第２の反射鏡１９を形成した後、中間誘電体膜１９Ｃ及び第２の多層膜１９Ｂ上に金属膜２０を形成する（工程５）。次いで、発光構造層ＥＭ１のｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１５上にそれぞれ第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２を形成する（工程６）。このようにして、面発光レーザ１０を製造することができる。
図５は、第２の多層膜１９ＢＰの上面を基準としたエッチング深さ（位置）と、第２の反射鏡１９におけるミラー損失と、の関係を示す図である。図５に示すように、上面側から６ペア目の高屈折率誘電体膜Ｈ２の途中（例えば膜厚方向の中央）までエッチングを行うと、他の位置までエッチングを行う場合に比べ、著しく大きなミラー損失が生ずることがわかる。
従って、本実施例における第２の反射鏡１９のように、６ペア目の高屈折率誘電体膜Ｈ２を第１及び第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１（６）に分割し、その途中でエッチングが停止するように両者の間に中間誘電体膜１９Ｃを設けることで、安定して第２の多層膜１９Ｂを除去し、当該除去した部分で大きなミラー損失を生じさせることができる。
本実施例においては、第２の多層膜１９Ｂは、第１の多層膜１９Ａの面内において第１の多層膜１９Ａの中央部分に形成されている。すなわち、第１の多層膜１９Ａの外周部分においては、第２の多層膜１９Ｂが除去されている。また、第１及び第２の多層膜１９Ａ及び１９Ｂは、共振器ＯＣ１の中心軸ＣＡ上に設けられている。これによって、共振器ＯＣ１の中心軸ＣＡを含む領域に対し、その周囲の領域のミラー損失を安定して大きくすることができる。
これは、面発光レーザ１０の横モードを安定させることにつながる。具体的には、中心軸ＣＡ上の領域とその周囲の領域との間のミラー損失の差が小さい場合、面発光レーザ１０の発振モードが不安定になり、高次のモードでレーザ発振を行う場合がある。これは、ミラー損失の差が安定して形成されないことに起因する。
そして、例えば本実施例のように、誘電体多層膜によって第２の反射鏡１９を形成する場合、一般には多層膜の部分的な除去によって中心軸ＣＡ上及びその周囲のミラー損失の差を形成する。しかし、その多層膜の除去量が不安定になると、図５に示すように、その残存する多層膜の深さ位置によっては、ほとんどミラー損失が生じなくなる。これが、発振モードのマルチモード化や不安定化につながる。
これに対し、本実施例においては、中間誘電体膜１９Ｃのように、第２の反射鏡１９となる多層膜の好ましい位置にエッチングが極端に遅い膜を形成し、この上からエッチングを行うことで第２の多層膜１９ＢＰを部分的に除去する。従って、確実に好ましい位置でエッチングを停止することができ、好ましいミラー特性を有する第２の反射鏡１９を形成することができる。これによって、横モードが安定した面発光レーザ１０を提供することができる。
なお、本実施例においては、第２の反射鏡１９が誘電体材料からなるＤＢＲである場合について説明した。しかし、第２の反射鏡１９は、多層膜反射鏡であればよく、その材料が誘電体に限定されない。
また、第１及び第２の多層膜１９Ａ及び１９Ｂの構成についても、上記した場合に限定されない。例えば、第１の多層膜１９Ａは、低屈折率材料（例えば低屈折率誘電体材料）からなる低屈折率膜（低屈折率誘電体膜Ｌ２）と低屈折率材料よりも大きな屈折率を有する高屈折率材料（例えば高屈折率誘電体材料）からなる高屈折率膜（高屈折率誘電体膜Ｈ２）とが交互に積層された構造を有していればよい。
また、第２の多層膜１９Ｂは、中間誘電体膜１９Ｃの上面を部分的に覆うように形成され、当該低屈折率材料からなる低屈折率膜（低屈折率誘電体膜Ｌ２）と当該高屈折率材料からなる高屈折率膜（高屈折率誘電体膜Ｈ２）とが交互に積層された構造を有していればよい。
また、中間誘電体膜１９Ｃの膜厚についても、上記に限定されない。例えば、中間誘電体膜１９Ｃは、第２の反射鏡１９内におけるＤＢＲとしての条件を崩さない膜厚、発光層１４から放出された光が中間誘電体膜１９Ｃの他の層との界面で反転せずに素通りするような膜厚を有していればよい。例えば、中間誘電体膜１９Ｃは、発光層１４から放出される光における中間誘電体膜１９Ｃ内の波長の１／２に基づいた膜厚、例えばλｘ／２ｎ（ｘは自然数）を満たす膜厚を有していればよい。
また、中間誘電体膜１９Ｃの位置についても、第２の反射鏡１９内において好ましい任意の位置に設けられていればよい。例えば、金属膜２０で第２の反射鏡１９の上面を覆う場合は、第１及び第２の多層膜１９Ａ及び１９Ｂにそれぞれ設けられた第１及び第２の低膜厚高屈折率膜Ｈ２１間に設けられることが好ましい。
より具体的には、例えば、第１の多層膜１９Ａの最も基板１１側には低屈折率誘電体膜Ｌ２が設けられ、第１の多層膜１９Ａの最も中間誘電体膜１９Ｃ側には高屈折率材料からなりかつ高屈折率誘電体膜Ｈ２よりも小さな膜厚を有する低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１が設けられ、第２の多層膜１９Ｂの最も上面側には低屈折率誘電体膜Ｌ２が設けられ、第２の多層膜１９Ｂの最も中間誘電体膜１９Ｃ側には高屈折率材料からなりかつ高屈折率誘電体膜Ｈ２よりも小さな膜厚を有する低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１が設けられていることが好ましい。
また、例えば、図３に示すように、第２の多層膜１９Ｂは、それぞれ５つの低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２と、低膜厚高屈折率膜Ｈ２１と、を有することが好ましい。また、第１及び第２の多層膜１９Ａ及び１９Ｂにおける低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２は、発光層１４から放出された光のそれぞれ低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２内の波長の１／４に基づいた膜厚（例えばλｘ／４ｎ（ｘは自然数）を満たす膜厚）を有し、低膜厚高屈折率膜は、前記発光層から放出された光の前記低膜厚高屈折率膜内の波長の１／８に基づいた膜厚（例えばλｘ／８ｎ（ｘは自然数）を満たす膜厚）を有することが好ましい。
また、本実施例においては、中間誘電体膜１９Ｃが高屈折率誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２よりも小さなエッチング速度を有する場合について説明した。しかし、中間誘電体膜１９Ｃは、例えば、確実にエッチングを停止できる程度の膜厚、例えば上記した膜厚を有している透光性の膜であればよく、エッチング速度が他の層よりも小さい膜である場合に限定されない。また、中間誘電体膜１９Ｃは、第１の多層膜１９Ａの上面を覆っていればよい。
上記したように、本実施例においては、面発光レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成された第１の多層膜反射鏡１２と、第１の多層膜反射鏡１２上に形成され、発光層１４を含む発光構造層ＥＭ１と、発光構造層ＥＭ１上に形成され、第１の多層膜反射鏡１２との間で共振器ＯＣ１を構成する第２の多層膜反射鏡１９と、を有する。
また、第２の多層膜反射鏡１９は、低屈折率材料からなる低屈折率膜Ｌ２と低屈折率材料よりも大きな屈折率を有する高屈折率材料からなる高屈折率膜Ｈ２とが交互に積層された第１の多層膜１９Ａと、第１の多層膜１９Ａの上面を覆いかつ発光層１４から放出された光に対して透光性を有する中間誘電体膜１９Ｃと、中間誘電体膜１９Ｃの上面を部分的に覆うように形成され、低屈折率材料からなる低屈折率膜Ｌ２と高屈折率材料からなる高屈折率膜Ｈ２とが交互に積層された第２の多層膜１９Ｂと、を含む。
また、中間誘電体膜１９Ｃは、発光層１４から放出される光の中間誘電体膜１９Ｃ内の波長の１／２に基づいた膜厚を有する。従って、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ１０（垂直共振器型発光素子）を提供することができる。
図６は、実施例２に係る面発光レーザ３０の上面図である。また、図７は、面発光レーザ３０の断面図である。図７は、図６の７－７線に沿った断面図である。面発光レーザ３０は、第２の反射鏡３１及び金属膜３２の構成を除いては、面発光レーザ３０と同様の構成を有する。
本実施例においては、第２の反射鏡３１は、第２の反射鏡１９の第２の反射鏡１９Ｂに代えて、中間誘電体膜１９Ｃの上面におい環状に形成された第２の多層膜３１Ａを有する。本実施例においては、第２の多層膜３１Ａは、円環状に形成された高屈折率誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２を有する。
また、金属膜３２は、第２の多層膜３１の内側において第２の多層膜３１から露出する中間誘電体膜３１Ａの上面を含め、中間誘電体膜１９Ｃ及び第２の多層膜３１Ａ上に形成されている。
なお、本実施例においては、第２の多層膜３１Ａは、第２の多層膜１９Ｂと同様に、中間誘電体膜１９Ｃとの界面に第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１を有する。中間誘電体膜１９Ｃは、第１及び第２の低膜厚高屈折率誘電体膜Ｈ２１間に形成されている。
本実施例においては、さらに安定した横モードでレーザ発振を行う面発光レーザ３０を提供することができる。具体的には、本実施例においては、共振器ＯＣ１の中心軸ＣＡ上の領域においても高いミラー損失の領域が形成される。すなわち、共振器ＯＣ１内において、中心軸ＣＡを中心として環状に高反射特性の領域が形成される。
これによって、当該環状の領域に光を閉じ込めつつレーザ発振を行わせることができる。従って、例えば、環状の領域の幅を調節することで、当該環状の領域で複数の固有モードを発現させることができる。
例えば、第２の多層膜３１Ａは、７．５μｍの外径Ｗ１を有し、２．５μｍの内径Ｗ２を有する。例えばこのような環状の第２の多層膜３１Ａを形成することで、複数の位置の強度ピークを有する近視野像を生成することができる。また、このようなパターンの近視野像を有する光は、互いに干渉し合うことで、全体として狭角化されつつ出射される。すなわち、例えば、安定した単峰性のレーザ光を出射させることができる。
このように、本実施例においては、中間誘電体膜１９Ｃを用いて環状の第２の多層膜３１Ａを有する第２の反射鏡３１を形成することができる。従って、ミラー損失が小さい領域を安定して環状に形成し、これによって横モードが安定した面発光レーザ３０を提供することができる。
図８は、実施例３に係る面発光レーザ４０の上面図である。また、図９は、面発光レーザ４０の断面図である。面発光レーザ４０は、第２の反射鏡４１の構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。また、面発光レーザ４０においては、第２の反射鏡４１は、上面において光学的に露出している。
本実施例においては、第２の反射鏡４１は、最上面に低屈折率層Ｌ２を有する第１の多層膜４１Ａと、第１の多層膜４１Ａの低屈折率層Ｌ２上に形成された中間誘電体膜４１Ｃと、中間誘電体膜４１Ｃ上に形成され、中間誘電体膜４１Ｃとの界面に高屈折率層Ｈ２を有する第２の多層膜４１Ｂと、を有する。また、第２の多層膜４１Ｂ及び中間誘電体膜４１Ｃの上面には金属膜が設けられておらず、光学的に露出している。
図１０は、第２の多層膜４１の側面図である。本実施例においては、第１の多層膜４１Ａは、５ペアの低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２と、５つ目の低屈折率誘電体膜Ｌ２が積層された構造を有する。また、第２の多層膜４１Ｂは、５ペアの高屈折率誘電体層Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２とが積層された構造を有する。
また、図１０に示すように、本実施例においては、中間誘電体膜４１Ｃは、第２の反射鏡４１内において、第２の多層膜４１Ｂの上面から５ペア目の高屈折率誘電体膜Ｈ２（５）と、６ペア目の低屈折率誘電体膜Ｌ２（６）との間に形成されている。
本実施例においては、第２の反射鏡４１の上面が光学的に露出しており、その端面において光の反射条件が金属膜を設ける場合と異なる。この場合、上記のような位置に中間誘電体膜４１Ｃを設けてエッチングすることで、大きなミラー損失を生じさせることができる。従って、例えば単峰性のレーザ光を安定して出射させることができる。
なお、本実施例においても、例えば実施例２に示すように、第２の多層膜４１Ｂが環状（筒状）に形成されていてもよい。この場合、実施例２と同様に、さらに安定した横モードでレーザ光を生成することができる。例えば、第２の多層膜４１Ｂを環状に形成する場合、そのサイズとしては、９μｍの外径Ｗ１と、３μｍの内径Ｗ２と、が挙げられる。
また、本実施例においても、第１及び第２の多層膜４１Ａ及び４１Ｂの構成、並びに中間誘電体膜４１Ｃの構成についても上記した場合に限定されない。例えば、第２の反射鏡４１の上面を光学的に露出させる場合、第１の多層膜４１Ａの最も基板１１側には低屈折率誘電体膜Ｌ２が設けられ、第１の多層膜４１Ａの最も中間誘電体膜４１Ｃ側には低屈折率誘電体膜Ｌ２が設けられていること、及び、第２の多層膜４１Ｂの最も上面側には低屈折率誘電体膜Ｌ２が設けられ、第２の多層膜４１Ｂの最も中間誘電体膜４１Ｃ側には高屈折率誘電体膜Ｈ２が設けられていることが好ましい。
また、例えば、図１０に示すように、第２の多層膜４１Ｂは、それぞれ５つの低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２を有すること、及び、低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２は、発光層１４から放出された光のそれぞれ低屈折率誘電体膜Ｌ２及び高屈折率誘電体膜Ｈ２内の波長の１／４に基づいた膜厚（例えばλｘ／４ｎ（ｘは自然数）を満たす膜厚）を有することが好ましい。
また、上記した種々の実施例のように、第２の反射鏡１９、３１及び４１の内部に他の層よりも小さなエッチング速度を有する層を形成することで、好ましい反射特性の反射鏡を形成することができ、例えば安定した横モードの面発光レーザ１０、３０及び４０（垂直共振器型発光素子）を提供することができる。
１０、３０、４０ 面発光レーザ（垂直共振器型発光素子）
ＥＭ１ 発光構造層
１４ 発光層
１９、３１、４１ 第２の多層膜反射鏡

Claims (9)

  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、発光層を含む発光構造層と、
    前記発光構造層上に形成され、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、
    前記第２の多層膜反射鏡は、低屈折率材料からなる低屈折率膜と前記低屈折率材料よりも大きな屈折率を有する高屈折率材料からなる高屈折率膜とが交互に積層された第１の多層膜と、前記第１の多層膜の上面を覆いかつ前記発光層から放出された光に対して透光性を有する中間膜と、前記中間膜の上面を部分的に覆うように形成され、前記低屈折率膜と前記高屈折率膜とが交互に積層された第２の多層膜と、を含み、
    前記中間膜は、前記発光層から放出される光の前記中間膜内の波長の１／２の自然数倍の膜厚を有し、
    前記共振器の中心軸に沿った方向から見た平面視において、前記第２の多層膜の外縁は、前記中間膜の外縁よりも内側に配されており、かつ前記第２の多層膜の外縁内に前記中心軸が位置しており、
    前記第１の多層膜の最も前記基板側には前記低屈折率膜が設けられ、前記第１の多層膜の最も前記中間膜側には前記高屈折率材料からなりかつ前記高屈折率膜よりも小さな膜厚を有する低膜厚高屈折率膜が設けられ、
    前記第２の多層膜の最も上面側には前記低屈折率膜が設けられ、前記第２の多層膜の最も前記中間膜側には前記低膜厚高屈折率膜が設けられていることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  2. 前記第２の多層膜及び前記中間膜の上面は金属膜に覆われてい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. 前記第２の多層膜は、それぞれ５つの前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜と、前記低膜厚高屈折率膜と、を有し、
    前記第１及び第２の多層膜における前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜は、前記発光層から放出された光のそれぞれ前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜内の波長の１／４の自然数倍の膜厚を有し、
    前記第１及び第２の多層膜における前記低膜厚高屈折率膜は、前記発光層から放出された光の前記低膜厚高屈折率膜内の波長の１／８の自然数倍の膜厚を有することを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型発光素子。
  4. 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、発光層を含む発光構造層と、
    前記発光構造層上に形成され、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、
    前記第２の多層膜反射鏡は、低屈折率材料からなる低屈折率膜と前記低屈折率材料よりも大きな屈折率を有する高屈折率材料からなる高屈折率膜とが交互に積層された第１の多層膜と、前記第１の多層膜の上面を覆いかつ前記発光層から放出された光に対して透光性を有する中間膜と、前記中間膜の上面を部分的に覆うように形成され、前記低屈折率膜と前記高屈折率膜とが交互に積層された第２の多層膜と、を含み、
    前記中間膜は、前記発光層から放出される光の前記中間膜内の波長の１／２の自然数倍の膜厚を有し、
    前記共振器の中心軸に沿った方向から見た平面視において、前記第２の多層膜の外縁は、前記中間膜の外縁よりも内側に配されており、かつ前記第２の多層膜の外縁内に前記中心軸が位置しており、
    前記第１の多層膜の最も前記基板側には前記低屈折率膜が設けられ、前記第１の多層膜の最も前記中間膜側には前記低屈折率膜が設けられ、
    前記第２の多層膜の最も上面側には前記低屈折率膜が設けられ、前記第２の多層膜の最も前記中間膜側には前記高屈折率膜が設けられ、
    前記第２の多層膜及び前記中間膜の上面は光学的に露出していることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  5. 前記第２の多層膜は、それぞれ５つの前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜を有し、
    前記第１及び第２の多層膜における前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜は、前記発光層から放出された光のそれぞれ前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜内の波長の１／４の自然数倍の膜厚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. 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、発光層を含む発光構造層と、
    前記発光構造層上に形成され、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、
    前記第２の多層膜反射鏡は、低屈折率材料からなる低屈折率膜と前記低屈折率材料よりも大きな屈折率を有する高屈折率材料からなる高屈折率膜とが交互に積層された第１の多層膜と、前記第１の多層膜の上面を覆いかつ前記発光層から放出された光に対して透光性を有する中間膜と、前記中間膜の上面を部分的に覆うように形成され、前記低屈折率膜と前記高屈折率膜とが交互に積層された第２の多層膜と、を含み、
    前記中間膜は、前記発光層から放出される光の前記中間膜内の波長の１／２の自然数倍の膜厚を有し、
    前記共振器の中心軸に沿った方向から見た平面視において、前記第２の多層膜の外縁は、前記中間膜の外縁よりも内側に配されており、かつ前記第２の多層膜の外縁内に前記中心軸が位置しており、
    前記第２の多層膜は、前記中間膜の上面において環状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。
  7. 前記中間膜は、前記第２の多層膜の前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜よりも小さなエッチング速度を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
  8. 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、発光層を含む発光構造層と、
    前記発光構造層上に形成され、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、
    前記第２の多層膜反射鏡は、低屈折率材料からなる低屈折率膜と前記低屈折率材料よりも大きな屈折率を有する高屈折率材料からなる高屈折率膜とが交互に積層された第１の多層膜と、前記第１の多層膜の上面を覆いかつ前記発光層から放出された光に対して透光性を有する中間膜と、前記中間膜の上面を部分的に覆うように形成され、前記低屈折率膜と前記高屈折率膜とが交互に積層された第２の多層膜と、を含み、
    前記中間膜は、前記発光層から放出される光の前記中間膜内の波長の１／２の自然数倍の膜厚を有し、
    前記共振器の中心軸に沿った方向から見た平面視において、前記第２の多層膜の外縁は、前記中間膜の外縁よりも内側に配されており、かつ前記第２の多層膜の外縁内に前記中心軸が位置しており、
    前記高屈折率膜、前記低屈折率膜及び前記中間膜は、誘電体膜からなることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  9. 前記中間膜は、Ａｌ2Ｏ3膜又はＡｌＮ膜からなることを特徴とする請求項８に記載の垂直共振器型発光素子。
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