JP7331859B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
本開示は、発光素子(具体的には、垂直共振器レーザ、VCSELとも呼ばれる面発光レーザ素子)に関する。
例えば、文献 "Nonpolar III-nitride vertical-cavity surface-emitting lasers incorporating an ion implanted aperture" に開示されているように、面発光レーザ素子においては、2つの光反射層(Distributed Bragg Reflector 層、DBR層)の間で光を共振させることによってレーザ発振が生じる。2つのDBR層の間には発光構造体が形成されている。発光構造体は、n型のGaN系化合物半導体層、MQWから成る活性層、p型のGaN系化合物半導体層から構成されている。更には、p型のGaN系化合物半導体層上には一方の電極(第2電極)を構成するITO層が形成され、ITO層上に1/8波長の厚さを有するTa2O5から成るスペーサ層及びp側DBR層が順次形成されている。
"Nonpolar III-nitride vertical-cavity surface-emitting lasers incorporating an ion implanted aperture", APPLIED PHYSICS LETTERS 107, 011102 (2015)
ところで、面発光レーザ素子にあっては、2つのDBR層の間で光が往復する距離(共振器長)に対して、活性層の厚さが非常に薄い。従って、面発光レーザ素子の発振閾値を下げるためには、DBR層における損失や内部損失を低減させる必要がある。DBR層における光反射率を大きくすることでDBR層における損失の低減を図っているが、発振閾値を下げるためには、それ以外の損失の抑制が非常に重要である。然るに、p側DBR層側の第2電極の表面に凹凸が生じると、第2電極側とp側DBR層との界面において光散乱損失が発生し、発振閾値を下げることができない。
従って、本開示の目的は、光散乱損失が発生し難い構成、構造を有する発光素子を提供することにある。
上記の目的を達成するための本開示の発光素子は、
複数の薄膜が積層されて成る第1光反射層、
発光構造体、及び、
複数の薄膜が積層されて成る第2光反射層、
が積層されて成る積層構造体を備えており、
発光構造体は、第1光反射層側から、
第1化合物半導体層、
活性層、及び、
第2化合物半導体層、
が積層されて成り、
第2化合物半導体層と第2光反射層との間には、第2化合物半導体層側から、電極(以下、『第2電極』と呼ぶ場合がある)及び中間層が形成されており、
電極(第2電極)に面する中間層の面を第1面、第2光反射層に接する中間層の面を第2面としたとき、第2面の表面粗さの値は第1面の表面粗さの値よりも小さい。
複数の薄膜が積層されて成る第1光反射層、
発光構造体、及び、
複数の薄膜が積層されて成る第2光反射層、
が積層されて成る積層構造体を備えており、
発光構造体は、第1光反射層側から、
第1化合物半導体層、
活性層、及び、
第2化合物半導体層、
が積層されて成り、
第2化合物半導体層と第2光反射層との間には、第2化合物半導体層側から、電極(以下、『第2電極』と呼ぶ場合がある)及び中間層が形成されており、
電極(第2電極)に面する中間層の面を第1面、第2光反射層に接する中間層の面を第2面としたとき、第2面の表面粗さの値は第1面の表面粗さの値よりも小さい。
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
1.本開示の発光素子、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の発光素子)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1~実施例2の変形)
5.実施例4(実施例1~実施例3の変形)
6.実施例5(実施例1~実施例4の変形)
7.実施例6(実施例1~実施例5の変形、第4-A構成の発光素子)
8.実施例7(実施例6の変形、第4-B構成の発光素子)
9.実施例8(実施例6~実施例7の変形、第5構成の発光素子)
10.実施例9(実施例8の変形)
11.実施例10(実施例6~実施例9の変形、第1構成の発光素子)
12.実施例11(実施例6~実施例10の変形、第2-A構成の発光素子)
13.実施例12(実施例11の変形、第2-B構成の発光素子)
14.実施例13(実施例11~実施例12の変形、第2-C構成の発光素子)
15.実施例14(実施例11~実施例13の変形、第2-D構成の発光素子)
16.実施例15(実施例11~実施例14の変形)
17.実施例16(実施例6~実施例10の変形、第3-A構成の発光素子、第3-B構成の発光素子、第3-C構成の発光素子及び第3-D構成の発光素子)
18.その他
1.本開示の発光素子、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の発光素子)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1~実施例2の変形)
5.実施例4(実施例1~実施例3の変形)
6.実施例5(実施例1~実施例4の変形)
7.実施例6(実施例1~実施例5の変形、第4-A構成の発光素子)
8.実施例7(実施例6の変形、第4-B構成の発光素子)
9.実施例8(実施例6~実施例7の変形、第5構成の発光素子)
10.実施例9(実施例8の変形)
11.実施例10(実施例6~実施例9の変形、第1構成の発光素子)
12.実施例11(実施例6~実施例10の変形、第2-A構成の発光素子)
13.実施例12(実施例11の変形、第2-B構成の発光素子)
14.実施例13(実施例11~実施例12の変形、第2-C構成の発光素子)
15.実施例14(実施例11~実施例13の変形、第2-D構成の発光素子)
16.実施例15(実施例11~実施例14の変形)
17.実施例16(実施例6~実施例10の変形、第3-A構成の発光素子、第3-B構成の発光素子、第3-C構成の発光素子及び第3-D構成の発光素子)
18.その他
〈本開示の発光素子、全般に関する説明〉
本開示の発光素子において、発光中心から半径20μm内の領域における中間層の第2面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である形態とすることが好ましい。あるいは又、発光強度が最大発光強度の(1/e)以上である領域における中間層の第2面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である形態とすることが好ましい。中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.5nm乃至3.0nm程度である。表面粗さは、JIS B-610:2001に規定されており、具体的には、原子間力顕微鏡(AFM,Atomic Force Microscope)や断面TEMに基づく観察に基づき測定することができる。
本開示の発光素子において、発光中心から半径20μm内の領域における中間層の第2面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である形態とすることが好ましい。あるいは又、発光強度が最大発光強度の(1/e)以上である領域における中間層の第2面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である形態とすることが好ましい。中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.5nm乃至3.0nm程度である。表面粗さは、JIS B-610:2001に規定されており、具体的には、原子間力顕微鏡(AFM,Atomic Force Microscope)や断面TEMに基づく観察に基づき測定することができる。
上記の各種の好ましい形態を含む本開示の発光素子にあっては、発光中心から半径1μm内の領域における中間層の第2面の二乗平均平方根粗さRqの値は2.0nm以下である形態とすることが好ましい。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の発光素子において、中間層の光学的厚さは、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さよりも厚い形態とすることが好ましい。そして、この場合、中間層を構成する材料の屈折率をnM、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料の屈折率をn1とし、発光素子から出射される主たる光の波長をλ0としたとき、中間層は(λ0/4nM)を超える厚さを有し、中間層に接する第2光反射層の第1層目は(λ0/4n1)の厚さを有する形態とすることが好ましく、更には、中間層は(λ0/2nM)を超える厚さを有する形態とすることが一層好ましい。あるいは又、中間層の光学的厚さは、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さの2倍を超える形態とすることが好ましい。このように、中間層の光学的厚さを、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さよりも厚くすることで、中間層に面する第2電極の面の凹凸の状態の影響を中間層の第2面は受け難くなる結果、中間層の第2面の表面粗さの値が第1面の表面粗さの値よりも小さい状態を確実に達成することができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の発光素子において、電極(第2電極)を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
0.8<n0/nM<1.2
好ましくは、
0.9<n0/nM<1.1
一層好ましくは、
0.95<n0/nM<1.05
を満足する構成とすることが望ましい。あるいは又、電極(第2電極)を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
|n0-nM|≦0.1
を満足する構成とすることが望ましい。このように、第2電極を構成する材料の屈折率n0と中間層を構成する材料の屈折率nMの差(あるいは相対的な差)を小さくすることで、第2電極と中間層との界面における光の反射発生を抑制することができる結果、第2電極と中間層との界面における光散乱損失の発生を確実に抑制することができる。
0.8<n0/nM<1.2
好ましくは、
0.9<n0/nM<1.1
一層好ましくは、
0.95<n0/nM<1.05
を満足する構成とすることが望ましい。あるいは又、電極(第2電極)を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
|n0-nM|≦0.1
を満足する構成とすることが望ましい。このように、第2電極を構成する材料の屈折率n0と中間層を構成する材料の屈折率nMの差(あるいは相対的な差)を小さくすることで、第2電極と中間層との界面における光の反射発生を抑制することができる結果、第2電極と中間層との界面における光散乱損失の発生を確実に抑制することができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の発光素子において、
中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは同じである形態とすることができる。尚、このような構造を有する発光素子を、便宜上、『第1構造の発光素子』と呼ぶ。あるいは又、
中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは異なり、
第2光反射層の第1層目を構成する材料と、第2光反射層の第2層目を構成する材料とは異なる形態とすることができる。尚、このような構造を有する発光素子を、便宜上、『第2構造発光素子』と呼ぶ。
中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは同じである形態とすることができる。尚、このような構造を有する発光素子を、便宜上、『第1構造の発光素子』と呼ぶ。あるいは又、
中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは異なり、
第2光反射層の第1層目を構成する材料と、第2光反射層の第2層目を構成する材料とは異なる形態とすることができる。尚、このような構造を有する発光素子を、便宜上、『第2構造発光素子』と呼ぶ。
中間層を構成する材料を、便宜上、『材料-A』と呼び、第2光反射層の第1層目を構成する材料を、便宜上、『材料-B』と呼び、第2光反射層の第2層目を構成する材料を、便宜上、『材料-C』と呼ぶ。第1構造の発光素子及び第2構造の発光素子にあっては、発光構造体側から、第2光反射層は、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。そして、第1構造の発光素子にあっては、
材料-A=材料-C≠材料-B
の関係にあり、第2構造の発光素子にあっては、
材料-A≠材料-B
材料-A≠材料-C
材料-B≠材料-C
の関係にある。
材料-A=材料-C≠材料-B
の関係にあり、第2構造の発光素子にあっては、
材料-A≠材料-B
材料-A≠材料-C
材料-B≠材料-C
の関係にある。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の発光素子において、発光素子から出射される光の光場強度分布の最大振幅部分(積層構造体の内部において形成される光の定在波に生じる最大振幅部分)の近傍に活性層が位置しており、光場強度分布の最小振幅部分(積層構造体の内部において形成される光の定在波に生じる最小振幅部分)の近傍に中間層が位置している形態とすることができる。ここで、「最大振幅部分の近傍」とは、最大振幅部分が生じる位置をPSmax-0、位置PSmax-0を挟んで(最大振幅部分)×0.95の振幅が生じる位置をPSmax-1,PSmax-2としたとき、位置PSmax-1から位置PSmax-2に亙る領域を指す。また、「最小振幅部分の近傍」とは、最小振幅部分が生じる位置をPSmin-0、位置PSmin-0を挟んで(最小振幅部分)×1.05の振幅が生じる位置をPSmin-1,PSmin-2としたとき、位置PSmin-1から位置PSmin-2に亙る領域を指す。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の発光素子において、平行な複数の溝部(縦筋)を表面に有する基板上に第1化合物半導体層が形成されている構成とすることができ、この場合、基板は、主面として{20-21}面を有するGaN基板から成る構成とすることができる。このような基板に発光構造体を形成することで、発光素子から出射される光の偏光を制御することが可能である。ここで、半極性面である{20-21}面を有するGaN基板とは、c面をm軸方向に約75度傾けた面を主面とするGaN基板である。
尚、広くは、積層構造体は、GaN基板の半極性面又は無極性面(非極性面)から成る主面上に形成されている構成とすることができ、この場合、主面の面方位とc軸との成す角度は、45度以上、80度以下である構成とすることができ、更には、GaN基板の主面は{20-21}面から成る構成とすることができる。六方晶系における例えば以下に例示する結晶面の表記、
を、便宜上、本明細書においては、{hk-il}面、{h-kil}面と表記する。
を、便宜上、本明細書においては、{hk-il}面、{h-kil}面と表記する。
窒化物半導体結晶における極性面、非極性面及び半極性面について、以下、図33の(a)~(e)を参照して説明する。図33の(a)は、六方晶系窒化物半導体の結晶構造を示す模式図である。図33の(b)は、非極性面であるm面、{1-100}面を示す模式図であり、灰色の平面で示すm面は、m軸方向に垂直な面である。図33の(c)は、非極性面であるa面、{11-20}面を示す模式図であり、灰色の平面で示すa面は、a軸方向に垂直な面である。図33の(d)は、半極性面である{20-21}面を示す模式図である。灰色の平面で示す{20-21}面に垂直な[20-21]方向は、c軸からm軸方向に75度、傾斜している。図33の(e)は、半極性面である{11-22}面を示す模式図である。灰色の平面で示す{11-22}面に垂直な[11-22]方向は、c軸からa軸方向に59度、傾斜している。各種結晶面の面方位とc軸との成す角度を、以下の表1に示す。{11-21}面や{11-22}面、{11-24}面といった{11-2n}面で表される面、{1-101}面、{1-102}面、{1-103}面は半極性面である。
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の発光素子において、第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層(発光構造体)は、GaN系化合物半導体材料から成る形態とすることができる。但し、これに限定するものではなく、発光構造体をGaAs系化合物半導体層から構成することもできる。GaN系化合物半導体として、具体的には、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaNを挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素(B)原子やタリウム(Tl)原子、ヒ素(As)原子、リン(P)原子、アンチモン(Sb)原子が含まれていてもよい。活性層は、量子井戸構造を有することが望ましい。具体的には、単一量子井戸構造(SQW構造)を有していてもよいし、多重量子井戸構造(MQW構造)を有していてもよい。量子井戸構造を有する活性層は、井戸層及び障壁層が、少なくとも1層、積層された構造を有するが、(井戸層を構成する化合物半導体,障壁層を構成する化合物半導体)の組合せとして、(InyGa(1-y)N,GaN)、(InyGa(1-y)N,InzGa(1-z)N)[但し、y>z]、(InyGa(1-y)N,AlGaN)を例示することができる。第1化合物半導体層を第1導電型(例えば、n型)の化合物半導体から構成し、第2化合物半導体層を第1導電型とは異なる第2導電型(例えば、p型)の化合物半導体から構成することができる。第1化合物半導体層、第2化合物半導体層は、第1クラッド層、第2クラッド層とも呼ばれる。第2電極と第2化合物半導体層との間に、電流狭窄構造が形成されていることが好ましい。第1化合物半導体層、第2化合物半導体層は、単一構造の層であってもよいし、多層構造の層であってもよいし、超格子構造の層であってもよい。更には、組成傾斜層、濃度傾斜層を備えた層とすることもできる。
電流狭窄構造を得るためには、第2電極と第2化合物半導体層との間に絶縁材料(例えば、SiOXやSiNX、AlOX)から成る電流狭窄層を形成してもよいし、あるいは又、第2化合物半導体層をRIE法等によりエッチングしてメサ構造を形成してもよいし、あるいは又、積層された第2化合物半導体層の一部の層を横方向から部分的に酸化して電流狭窄領域を形成してもよいし、第2化合物半導体層に不純物をイオン注入して導電性が低下した領域を形成してもよいし、あるいは、これらを、適宜、組み合わせてもよい。但し、第2電極は、電流狭窄により電流が流れる第2化合物半導体層の部分と電気的に接続されている必要がある。
以下の説明において、活性層(発光層)と対向する第1化合物半導体層の面を第1化合物半導体層の第2面と呼び、第1化合物半導体層の第2面と対向する第1化合物半導体層の面を第1化合物半導体層の第1面と呼ぶ場合がある。また、活性層と対向する第2化合物半導体層の面を第2化合物半導体層の第1面と呼び、第2化合物半導体層の第1面と対向する第2化合物半導体層の面を第2化合物半導体層の第2面と呼ぶ場合がある。
発光素子を構成する各種の化合物半導体層の形成方法として、有機金属化学的気相成長法(MOCVD法,Metal Organic-Chemical Vapor Deposition 法、MOVPE法,Metal Organic-Vapor Phase Epitaxy 法)や分子線エピタキシー法(MBE法)、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法(HVPE法)、原子層堆積法(ALD法, Atomic Layer Deposition 法)、マイグレーション・エンハンスト・エピタキシー法(MEE法, Migration-Enhanced Epitaxy 法)、プラズマアシステッド物理的気相成長法(PPD法)等を挙げることができるが、これらに限定するものではない。ここで、MOCVD法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)ガスやトリエチルガリウム(TEG)ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。n型の導電型を有するGaN系化合物半導体層の形成においては、例えば、n型不純物(n型ドーパント)としてケイ素(Si)を添加すればよいし、p型の導電型を有するGaN系化合物半導体層の形成においては、例えば、p型不純物(p型ドーパント)としてマグネシウム(Mg)を添加すればよい。GaN系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム(Al)あるいはインジウム(In)が含まれる場合、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)ガスを用いればよいし、In源としてトリメチルインジウム(TMI)ガスを用いればよい。更には、Si源としてモノシランガス(SiH4ガス)を用いればよいし、Mg源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いればよい。尚、n型不純物(n型ドーパント)として、Si以外に、Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd、Poを挙げることができるし、p型不純物(p型ドーパント)として、Mg以外に、Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg、Srを挙げることができる。
第1化合物半導体層と電気的に接続された第1電極が形成されており、第2化合物半導体層と接して第2電極が形成されている。第1電極は、第1化合物半導体層と接して形成されており、あるいは又、基板を介して第1化合物半導体層と電気的に接続されている。第1電極は金属又は合金から成る形態とすることができるし、第2電極は透明導電性材料から成る形態とすることができる。第2電極を透明導電性材料から構成することで、電流を横方向(第2化合物半導体層の面内方向)に広げることができ、効率良く、素子領域に電流を供給することができる。第2電極は第2化合物半導体層の第2面上に形成されている。ここで、「素子領域」とは、狭窄された電流が注入される領域、あるいは又、屈折率差等により光が閉じ込められる領域、あるいは又、第1光反射層と第2光反射層で挟まれた領域の内、レーザ発振が生じる領域、あるいは又、第1光反射層と第2光反射層で挟まれた領域の内、実際にレーザ発振に寄与する領域を指す。
素子領域、あるいは、電流狭窄領域や電流狭窄層によって囲まれた領域における中間層の第2面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下であることが好ましい。
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の発光素子にあっては、活性層において生成した光は、第2光反射層を介して外部に出射される形態(以下、便宜上、『第2光反射層出射タイプの発光素子』と呼ぶ)とすることができるし、第1光反射層を介して外部に出射される形態(以下、便宜上、『第1光反射層出射タイプの発光素子』と呼ぶ)とすることもできる。尚、第1光反射層出射タイプの発光素子において、場合によっては、基板(発光素子製造用基板)を除去してもよい。基板(発光素子製造用基板)を除去する場合、第2光反射層は支持基板に固定されている形態とすることができる。発光素子は、第1化合物半導体層の頂面から第1光反射層を介して光を出射する面発光レーザ素子(垂直共振器レーザ、VCSEL)から成る構成とすることができるし、あるいは又、第2化合物半導体層の頂面から第2光反射層を介して光を出射する面発光レーザ素子から成る構成とすることもできる。
基板(発光素子製造用基板)を除去する場合、例えば、基板上に第1光反射層及び第1化合物半導体層を形成し、第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、中間層、第2光反射層を順次形成した後、第1光反射層をストッパ層として、基板を除去すればよい。具体的には、例えば、基板上に第1光反射層及び第1化合物半導体層を形成し、第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、中間層、第2光反射層を順次形成し、次いで、第2光反射層を支持基板に固定した後、第1光反射層をストッパ層として基板を除去して、第1化合物半導体層(第1化合物半導体層の第1面)及び第1光反射層を露出させればよい。更には、第1化合物半導体層(第1化合物半導体層の第1面)の上に第1電極を形成すればよい。あるいは又、基板の除去レート(研磨レート)に基づいて除去量を制御すれば、ストッパ層を用いなくてもよい。
基板(発光素子製造用基板)の除去は、化学的/機械的研磨法(CMP法)に基づき行う形態とすることができる。尚、先ず、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液、アンモニア溶液+過酸化水素水、硫酸溶液+過酸化水素水、塩酸溶液+過酸化水素水、リン酸溶液+過酸化水素水等を用いたウェットエッチング法や、ドライエッチング法、レーザを用いたリフトオフ法、機械研磨法等によって、あるいは、これらの組合せによって、基板の一部の除去を行い、あるいは、基板の厚さを薄くし、次いで、化学的/機械的研磨法を実行することで、第1化合物半導体層(第1化合物半導体層の第1面)及び第1光反射層を露出させればよい。
基板(発光素子製造用基板)として、GaN基板、サファイア基板、GaAs基板、SiC基板、アルミナ基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板、これらの基板の表面(主面)に下地層やバッファ層が形成されたものを挙げることができる。GaN系化合物半導体層を基板に形成する場合、GaN基板の使用が欠陥密度の少ないことから好ましい。GaN基板は成長面によって、極性/無極性/半極性と特性が変わることが知られているが、GaN基板のいずれの主面(第2面)も化合物半導体層の形成に使用することができる。また、これらの基板の主面に関して、結晶構造(例えば、立方晶型や六方晶型等)によっては、所謂A面、B面、C面、R面、M面、N面、S面等の名称で呼ばれる結晶方位面、あるいは、これらを特定方向にオフさせた面等を用いることもできる。あるいは又、前述したとおり、基板を、主面として{20-21}面を有するGaN基板から成る構成とすることもできる。
支持基板は、例えば、発光素子製造用基板として例示した各種の基板から構成すればよいし、あるいは又、AlN等から成る絶縁性基板、Si、SiC、Ge等から成る半導体基板、金属製基板や合金製基板から構成することもできるが、導電性を有する基板を用いることが好ましく、あるいは又、機械的特性、弾性変形、塑性変形性、放熱性等の観点から金属製基板や合金製基板を用いることが好ましい。支持基板の厚さとして、例えば、0.05mm乃至1mmを例示することができる。第2光反射層の支持基板への固定方法として、半田接合法、常温接合法、粘着テープを用いた接合法、ワックス接合を用いた接合法、接着剤を用いた方法等、既知の方法を用いることができるが、導電性の確保という観点からは半田接合法あるいは常温接合法を採用することが望ましい。例えば導電性基板であるシリコン半導体基板を支持基板として使用する場合、熱膨張係数の違いによる反りを抑制するために、400゜C以下の低温で接合可能な方法を採用することが望ましい。支持基板としてGaN基板を使用する場合、接合温度が400゜C以上であってもよい。
第1光反射層出射タイプの発光素子において、基板を除去する場合、第1化合物半導体層の第1面における第1光反射層と第1電極の配置状態として、第1光反射層と第1電極とが接している状態を挙げることができるし、あるいは又、第1光反射層と第1電極とが離間している状態を挙げることができるし、場合によっては、第1光反射層の縁部の上にまで第1電極が形成されている状態、第1電極の縁部の上にまで第1光反射層が形成されている状態を挙げることもできる。ここで、第1電極の縁部の上にまで第1光反射層が形成されている状態とする場合、第1電極は、レーザ発振の基本モード光を出来る限り吸収しないように、或る程度の大きさの開口部を有する必要がある。開口部の大きさは、基本モードの波長や横方向(第1化合物半導体層の面内方向)の光閉じ込め構造によって変化するので、限定するものではないが、おおよそλ0の数倍のオーダーであることが好ましい。あるいは又、第1光反射層と第1電極とは離間しており、即ち、オフセットを有しており、離間距離は1mm以内である構成とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の発光素子において、第2化合物半導体層(第2化合物半導体層の第2面)の表面粗さRaは、1.0nm以下であることが好ましい。
第1電極は、例えば、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、Ti(チタン)、バナジウム(V)、タングステン(W)、クロム(Cr)、Al(アルミニウム)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、錫(Sn)及びインジウム(In)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属(合金を含む)を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、具体的には、例えば、Ti/Au、Ti/Al、Ti/Al/Au、Ti/Pt/Au、Ni/Au、Ni/Au/Pt、Ni/Pt、Pd/Pt、Ag/Pdを例示することができる。尚、多層構成における「/」の前の層ほど、より活性層側に位置する。以下の説明においても同様である。第1電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のPVD法にて成膜することができる。
第2電極を構成する透明導電性材料として、インジウム系透明導電性材料[具体的には、例えば、インジウム-錫酸化物(ITO,Indium Tin Oxide,SnドープのIn2O3、結晶性ITO及びアモルファスITOを含む)、インジウム-亜鉛酸化物(IZO,Indium Zinc Oxide)、インジウム-ガリウム酸化物(IGO)、インジウム・ドープのガリウム-亜鉛酸化物(IGZO,In-GaZnO4)、IFO(FドープのIn2O3)、ITiO(TiドープのIn2O3)、InSn、InSnZnO]、錫系透明導電性材料[具体的には、例えば、酸化錫(SnO2)、ATO(SbドープのSnO2)、FTO(FドープのSnO2)]、亜鉛系透明導電性材料[具体的には、例えば、酸化亜鉛(ZnO、AlドープのZnO(AZO)やBドープのZnOを含む)、ガリウム・ドープの酸化亜鉛(GZO)、AlMgZnO(酸化アルミニウム及び酸化マグネシウム・ドープの酸化亜鉛)]、NiOを例示することができる。あるいは又、第2電極として、ガリウム酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、アンチモン酸化物、ニッケル酸化物等を母層とする透明導電膜を挙げることができるし、スピネル型酸化物、YbFe2O4構造を有する酸化物といった透明導電性材料を挙げることもできる。但し、第2電極を構成する材料として、第2光反射層と第2電極との配置状態に依存するが、透明導電性材料に限定するものではなく、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、金(Au)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)等の金属を用いることもできる。第2電極は、これらの材料の少なくとも1種類から構成すればよい。第2電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のPVD法にて成膜することができる。あるいは又、透明電極層として低抵抗な半導体層を用いることもでき、この場合、具体的には、n型のGaN系化合物半導体層を用いることもできる。更には、n型GaN系化合物半導体層と隣接する層がp型である場合、両者をトンネルジャンクションを介して接合することで、界面の電気抵抗を下げることもできる。
第1電極や第2電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ti(チタン)、アルミニウム(Al)、Pt(白金)、Au(金)、Ni(ニッケル)、Pd(パラジウム)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ti/Pt/Auの多層構成、Ti/Auの多層構成、Ti/Pd/Auの多層構成、Ti/Pd/Auの多層構成、Ti/Ni/Auの多層構成、Ti/Ni/Au/Cr/Auの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。第1電極をAg層あるいはAg/Pd層から構成する場合、第1電極の表面に、例えば、Ni/TiW/Pd/TiW/Niから成るカバーメタル層を形成し、カバーメタル層の上に、例えば、Ti/Ni/Auの多層構成あるいはTi/Ni/Au/Cr/Auの多層構成から成るパッド電極を形成することが好ましい。
中間層を構成する材料(材料-A)として、次に述べる光反射層を構成する材料を挙げることができる。但し、第1構造の発光素子、第2構造の発光素子においては、前述したとおり、材料-A、材料-B、材料-Cの関係を満足する必要がある。中間層は、単層構成とすることもできるし、複数層構成とすることもできる。
光反射層(分布ブラッグ反射鏡層、Distributed Bragg Reflector 層、DBR層)は、例えば、半導体多層膜(例えば、AlInGaN膜)や誘電体多層膜から構成される。誘電体材料としては、例えば、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti等の酸化物、窒化物(例えば、SiNX、AlNX、AlGaN、GaNX、BNX等)、又は、フッ化物等を挙げることができる。具体的には、SiOX、TiOX、NbOX、ZrOX、TaOX、ZnOX、AlOX、HfOX、SiNX、AlNX等を例示することができる。そして、これらの誘電体材料の内、屈折率が異なる誘電体材料から成る2種類以上の誘電体膜を交互に積層することにより、光反射層を得ることができる。例えば、SiOX/SiNY、SiOX/TaOX、SiOX/NbOY、SiOX/ZrOY、SiOX/AlNY等の多層膜が好ましい。所望の光反射率を得るために、各誘電体膜を構成する材料、膜厚、積層数等を、適宜、選択すればよい。各誘電体膜の厚さは、用いる材料等により、適宜、調整することができ、λ0、用いる材料のλ0での屈折率n’によって決定される。具体的には、λ0/(4n’)の奇数倍、あるいは、奇数倍の前後の値とすることが好ましい。例えば、λ0が410nmの発光素子において、光反射層をSiOX/NbOYから構成する場合、40nm乃至70nm程度を例示することができる。積層数は、2以上、好ましくは5乃至20程度を例示することができる。光反射層全体の厚さとして、例えば、0.6μm乃至1.7μm程度を例示することができる。また、光反射層の光反射率は95%以上であることが望ましい。
あるいは又、第1光反射層は、少なくともN(窒素)原子を含んだ誘電体膜を備えていてもよく、更には、このN原子を含んだ誘電体膜は、誘電体多層膜の最上層であることが好ましい。あるいは又、第1光反射層は、少なくともN(窒素)原子を含んだ誘電体材料層によって被覆されていてもよい。あるいは又、第1光反射層の表面に対して窒化処理を施すことで、第1光反射層の表面を、少なくともN(窒素)原子を含んだ層(以下、便宜上、『表面層』と呼ぶ)としてもよい。少なくともN原子を含んだ誘電体膜あるいは誘電体材料層、表面層(これらを構成する材料の屈折率をn”で表す)の厚さは、λ0/(4n”)の奇数倍、あるいは、奇数倍の前後の値とすることが好ましい。少なくともN原子を含んだ誘電体膜あるいは誘電体材料層を構成する材料として、具体的には、SiNX、SiOXNZを挙げることができる。このように、少なくともN原子を含んだ誘電体膜あるいは誘電体材料層、表面層を形成することで、第1光反射層を覆う化合物半導体層を形成したとき、第1光反射層を覆う化合物半導体層の結晶軸と発光素子製造用基板の結晶軸のずれを改善することが可能となり、共振器となる発光構造体の品質を高めることが可能となる。
光反射層及び中間層は、周知の方法に基づき形成することができ、具体的には、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、ECRプラズマスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法等のPVD法;各種CVD法;スプレー法、スピンコート法、ディップ法等の塗布法;これらの方法の2種類以上を組み合わせる方法;これらの方法と、全体又は部分的な前処理、不活性ガス(Ar、He、Xe等)又はプラズマの照射、酸素ガスやオゾンガス、プラズマの照射、酸化処理(熱処理)、露光処理のいずれか1種類以上とを組み合わせる方法等を挙げることができる。
光反射層及び中間層は、電流注入領域(後述する)あるいは素子領域を覆う限り、大きさ及び形状は特に限定されない。素子領域、第1光反射層、第2光反射層、電流注入領域と電流非注入・内側領域との境界の形状、電流非注入・内側領域と電流非注入・外側領域との境界の形状、素子領域や電流狭窄領域に設けられた開口の平面形状として、具体的には、円形、楕円形、矩形、多角形(三角形、四角形、六角形等)を挙げることができる。また、第1電極の平面形状として環状を挙げることができる。素子領域、第1光反射層、第2光反射層、電流狭窄層に設けられた開口の平面形状、環状の第1電極の内側環部の平面形状、電流注入領域と電流非注入・内側領域との境界の形状、及び、電流非注入・内側領域と電流非注入・外側領域との境界の形状は、相似形であることが望ましい。電流注入領域と電流非注入・内側領域との境界の形状が円形の場合、直径5μm乃至100μm程度であることが好ましい。
積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を被覆層で被覆してもよい。被覆層の形成は、周知の方法に基づき行うことができる。被覆層を構成する材料の屈折率は、積層構造体あるいは発光構造体を構成する材料の屈折率よりも小さいことが好ましい。被覆層を構成する絶縁材料として、SiO2を含むSiOX系材料、SiNX系材料、SiOXNZ系材料、TaOX、ZrOX、AlNX、AlOX、GaOXを例示することができるし、あるいは又、ポリイミド樹脂等の有機材料を挙げることもできる。被覆層の形成方法として、例えば真空蒸着法やスパッタリング法といったPVD法、あるいは、CVD法を挙げることができるし、塗布法に基づき形成することもできる。
実施例1は、本開示の発光素子に関する。
模式的な一部断面図を図1Aに示し、中間層近傍を拡大した模式的な一部断面図を図1Bに示すように、実施例1の発光素子、あるいは又、後述する実施例2~実施例16の発光素子は、具体的には、面発光レーザ素子(垂直共振器レーザ、VCSEL)であり、
複数の薄膜が積層されて成る第1光反射層41、
発光構造体20、及び、
複数の薄膜が積層されて成る第2光反射層42、
が積層されて成る積層構造体を備えており、
発光構造体20は、第1光反射層側から、
第1化合物半導体層21、
活性層(発光層)23、及び、
第2化合物半導体層22、
が積層されて成る。
複数の薄膜が積層されて成る第1光反射層41、
発光構造体20、及び、
複数の薄膜が積層されて成る第2光反射層42、
が積層されて成る積層構造体を備えており、
発光構造体20は、第1光反射層側から、
第1化合物半導体層21、
活性層(発光層)23、及び、
第2化合物半導体層22、
が積層されて成る。
そして、第2化合物半導体層22と第2光反射層42との間には、第2化合物半導体層22の側から、電極(第2電極32)及び中間層70が形成されており、
電極(第2電極32)に面する中間層70の面を第1面71、第2光反射層42に接する中間層70の面を第2面72としたとき、第2面72の表面粗さの値は第1面71の表面粗さの値よりも小さい。
電極(第2電極32)に面する中間層70の面を第1面71、第2光反射層42に接する中間層70の面を第2面72としたとき、第2面72の表面粗さの値は第1面71の表面粗さの値よりも小さい。
ここで、中間層70は一種の平坦化層であり、発光中心から半径20μm内の領域における中間層70の第2面72の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である。あるいは又、発光強度が最大発光強度の(1/e)以上である領域における中間層70の第2面72の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である。また、発光中心から半径1μm内の領域における中間層70の第2面72の二乗平均平方根粗さRqの値は2.0nm以下である。
中間層70を構成する材料(材料-A)と、中間層70に接する第2光反射層42の第1層目421を構成する材料(材料-B)とは異なり、
中間層70を構成する材料(材料-A)と、第2光反射層42の第1層目421と接する第2層目422を構成する材料(材料-C)とは同じである。即ち、実施例1の発光素子を第1構造の発光素子とすることができる。中間層70は材料-Aから構成されており、第2光反射層42は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。また、第1光反射層41は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。材料-A及び材料-CをSiO2から構成し、材料-BをTa2O5から構成した。第1光反射層41及び第2光反射層42を構成する薄膜の積層総数を23層とした。尚、図1Bにあっては、第2電極32、中間層70、第2光反射層42の第1層目421、第2層目422、第3層目423及び第4層目424を模式的な一部断面図として図示している。
中間層70を構成する材料(材料-A)と、第2光反射層42の第1層目421と接する第2層目422を構成する材料(材料-C)とは同じである。即ち、実施例1の発光素子を第1構造の発光素子とすることができる。中間層70は材料-Aから構成されており、第2光反射層42は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。また、第1光反射層41は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。材料-A及び材料-CをSiO2から構成し、材料-BをTa2O5から構成した。第1光反射層41及び第2光反射層42を構成する薄膜の積層総数を23層とした。尚、図1Bにあっては、第2電極32、中間層70、第2光反射層42の第1層目421、第2層目422、第3層目423及び第4層目424を模式的な一部断面図として図示している。
あるいは又、中間層70を構成する材料(材料-A)と、中間層70に接する第2光反射層42の第1層目421を構成する材料(材料-B)とは異なり、
中間層70を構成する材料(材料-A)と、第2光反射層42の第1層目421と接する第2層目422を構成する材料(材料-C)とは異なり、
第2光反射層42の第1層目421を構成する材料(材料-B)と、第2光反射層42の第2層目422を構成する材料(材料-C)とは異なる。即ち、実施例1の発光素子を第2構造の発光素子とすることもできる。中間層70は材料-Aから構成されており、第2光反射層42は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。また、第1光反射層41は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。材料-AをITOから構成し、材料-BをTa2O5から構成し、材料-CをSiO2から構成した。第1光反射層41及び第2光反射層42を構成する薄膜の積層総数を23層とした。
中間層70を構成する材料(材料-A)と、第2光反射層42の第1層目421と接する第2層目422を構成する材料(材料-C)とは異なり、
第2光反射層42の第1層目421を構成する材料(材料-B)と、第2光反射層42の第2層目422を構成する材料(材料-C)とは異なる。即ち、実施例1の発光素子を第2構造の発光素子とすることもできる。中間層70は材料-Aから構成されており、第2光反射層42は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。また、第1光反射層41は、発光構造体側から、材料-B、材料-C、材料-B、材料-C、材料-B・・・の積層構造を有する。材料-AをITOから構成し、材料-BをTa2O5から構成し、材料-CをSiO2から構成した。第1光反射層41及び第2光反射層42を構成する薄膜の積層総数を23層とした。
実施例1あるいは後述する実施例2~実施例16において、第1化合物半導体層21、活性層23及び第2化合物半導体層22(発光構造体20)は、GaN系化合物半導体材料から成る。具体的には、第1化合物半導体層21はn-GaN層から成り、活性層23はIn0.04Ga0.96N層(障壁層)とIn0.16Ga0.84N層(井戸層)とが積層された5重の多重量子井戸構造から成り、第2化合物半導体層22はp-GaN層から成る。また、第1電極31はTi/Pt/Auから成り、第1電極31の縁部の上には、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するための、例えばTi/Pt/Au又はV/Pt/Auから成るパッド電極(図示せず)が形成あるいは接続されている。第2電極32は、透明導電性材料、具体的には、ITOから成り、第2電極32の縁部の上には、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するための、例えば、Pd/Ti/Pt/AuやTi/Pd/Au、Ti/Ni/Auから成るパッド電極33が形成あるいは接続されている。実施例1の発光素子において、第2電極32は第2化合物半導体層22と第2光反射層42との間に設けられている。第1化合物半導体層21の第1面21aから或る深さまでの第1光反射層41の領域、発光構造体20(第1化合物半導体層21、活性層23及び第2化合物半導体層22)、並びに、第2化合物半導体層22の第2面22bから或る深さまでの第2光反射層42の領域によって、共振器が構成される。共振器長は5×10-6m(5μm)以上である。活性層から出射される光の内、最大強度を有する光の波長(以下、便宜上、『発振波長』と呼ぶ場合がある)λ0は445nmである。
第1光反射層41及び第1化合物半導体層21は、導電性を有する基板11(発光素子製造用基板であり、具体的には、n-GaN基板)の上(具体的には、基板11の第1面11aの上)に設けられている。基板11の第1面11aは、例えば、{0001}面を主面として有する。また、活性層23において生成した光は、第2光反射層42を介して外部に出射される。即ち、実施例1の発光素子は、第2光反射層出射タイプの発光素子であり、具体的には、第2化合物半導体層22の頂面から第2光反射層42を介して光を出射する面発光レーザ素子(垂直共振器レーザ、VCSEL)から成る。第1電極31は、基板11の外面(第2面11b)上に設けられている。第1化合物半導体層21及び多層膜から成る第1光反射層41は、基板11の第2面11bと対向する第1面11aの上に形成されている。
実施例1の発光素子においては、第2電極32と第2化合物半導体層22との間に、SiO2といった絶縁材料から成る電流狭窄層24が形成されている。電流狭窄層24には円形の開口25が形成されており、この開口25の底部に第2化合物半導体層22が露出している。電流狭窄層24によって囲まれた領域における中間層70の第2面72の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である。
第2電極32は、第2化合物半導体層22の第2面22b上に形成されており、多層膜から成る第2光反射層42は、中間層70を介して、第2電極32の上に形成されている。具体的には、第2電極32は、第2化合物半導体層22の第2面22b上から電流狭窄層24上に亙り形成されており、第2電極32の上に中間層70が形成されており、中間層70の第2面72の上に第2光反射層42が形成されている。更には、第2電極32の縁部の上には、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するためのパッド電極33が接続されている。素子領域の平面形状は円形であり、第1電極31、第1光反射層41、第2光反射層42、電流狭窄層24に設けられた開口25の平面形状も円形である。第1光反射層41及び第2光反射層42は多層構造を有するが、図面の簡素化のため、1層で表している。電流狭窄層24の形成は、必須ではない。
また、発光素子から出射される光の光場強度分布の最大振幅部分(積層構造体の内部において形成される光の定在波に生じる最大振幅部分)の近傍に活性層23が位置しており、光場強度分布の最小振幅部分(積層構造体の内部において形成される光の定在波に生じる最小振幅部分)の近傍に中間層70が位置している。
従来の発光素子における活性層等の位置と光場強度(光場)の関係、活性層等の位置と屈折率の位置との関係を、模式的に図2に示す。尚、図2において、「活性層」及び「第2電極」は。それぞれ、活性層23及び第2電極32の位置を示し、横軸の「距離」は、任意の位置から活性層に向かっての積層構造体の厚さ(単位は任意であり、数字は特に意味はない)を示し、右側の縦軸の「屈折率」は、積層構造体を構成する種々の層を構成する材料の屈折率の値を示し、左側の縦軸は、光場強度(単位は任意)を示す。第2光反射層の第1層目と第2電極との界面近傍の光場強度が最も高く、この領域における光散乱の抑制が重要であることが判る。
本開示の発光素子にあっては、中間層の第2面の表面粗さの値が第1面の表面粗さの値よりも小さいので、中間層の第2面と接する第2光反射層の第1層目に凹凸が生じないが故に、中間層と第2光反射層の界面において光散乱損失が発生せず、その結果、発光素子の発振閾値の低減を図ることができる。
以下、積層構造体等の模式的な一部端面図である図3A、図3B及び図3Cを参照して、実施例1の発光素子の製造方法を説明する。
[工程-100]
先ず、発光素子製造用基板11の第1面11a上に、多層膜から成り、凸形状を有する第1光反射層41を形成する。具体的には、GaN基板から成る発光素子製造用基板11の第1面11a上に、周知の方法に基づき、多層膜から成り、パターニングされた第1光反射層41を形成する。こうして、図3Aに示す構造を得ることができる。第1光反射層41の形状は円盤状である。但し、第1光反射層41の形状はこれに限定するものではない。
先ず、発光素子製造用基板11の第1面11a上に、多層膜から成り、凸形状を有する第1光反射層41を形成する。具体的には、GaN基板から成る発光素子製造用基板11の第1面11a上に、周知の方法に基づき、多層膜から成り、パターニングされた第1光反射層41を形成する。こうして、図3Aに示す構造を得ることができる。第1光反射層41の形状は円盤状である。但し、第1光反射層41の形状はこれに限定するものではない。
[工程-110]
次に、第1光反射層41を含む発光素子製造用基板11上に、
GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層(発光層)23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る発光構造体20を形成する。具体的には、ELO法等の横方向にエピタキシャル成長させる方法を用いて、横方向成長により、n-GaNから成る第1化合物半導体層21を形成し、更に、第1化合物半導体層21の上に、エピタキシャル成長法に基づき、活性層23、第2化合物半導体層22を形成することで、発光構造体20を得ることができる。
次に、第1光反射層41を含む発光素子製造用基板11上に、
GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層(発光層)23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る発光構造体20を形成する。具体的には、ELO法等の横方向にエピタキシャル成長させる方法を用いて、横方向成長により、n-GaNから成る第1化合物半導体層21を形成し、更に、第1化合物半導体層21の上に、エピタキシャル成長法に基づき、活性層23、第2化合物半導体層22を形成することで、発光構造体20を得ることができる。
[工程-120]
その後、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、周知の方法に基づき、開口25を有し、SiO2から成る電流狭窄層24を形成する(図3B参照)。
その後、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、周知の方法に基づき、開口25を有し、SiO2から成る電流狭窄層24を形成する(図3B参照)。
[工程-130]
次いで、開口25の底面に露出した第2化合物半導体層22の第2面22bから電流狭窄層24の上に亙り、例えば、リフトオフ法に基づき第2電極32を形成し、更に、周知の方法に基づきパッド電極33を形成する。こうして、図3Cに示す構造を得ることができる。次いで、第2電極32の上からパッド電極33の上に亙り、周知の方法に基づき、中間層70を形成し、中間層70の第2面72の上に第2光反射層42を形成する。
次いで、開口25の底面に露出した第2化合物半導体層22の第2面22bから電流狭窄層24の上に亙り、例えば、リフトオフ法に基づき第2電極32を形成し、更に、周知の方法に基づきパッド電極33を形成する。こうして、図3Cに示す構造を得ることができる。次いで、第2電極32の上からパッド電極33の上に亙り、周知の方法に基づき、中間層70を形成し、中間層70の第2面72の上に第2光反射層42を形成する。
[工程-140]
その後、発光素子製造用基板11の外面(第2面11b)上に、第1電極31等を周知の方法に基づき形成する。こうして、図1Aに示す構造を得ることができる。そして、更に、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を、例えば、SiO2等の絶縁材料から成る被覆層で被覆する。そして、パッケージや封止することで、実施例1の発光素子を完成させることができる。
その後、発光素子製造用基板11の外面(第2面11b)上に、第1電極31等を周知の方法に基づき形成する。こうして、図1Aに示す構造を得ることができる。そして、更に、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を、例えば、SiO2等の絶縁材料から成る被覆層で被覆する。そして、パッケージや封止することで、実施例1の発光素子を完成させることができる。
[工程-100]において、GaN基板から成る発光素子製造用基板11の第1面11a上に、エピタキシャル成長法に基づき、多層膜から成る第1光反射層41を形成してもよい。尚、第1光反射層41のパターニングは、原則として、不要である。こうして、最終的に、図4Aに模式的な一部断面図を示す構造を有する発光素子を得ることができる。
実施例2は、実施例1の変形である。実施例2の発光素子において、中間層70の光学的厚さは、中間層70に接する第2光反射層42の第1層目421の光学的厚さよりも厚い。具体的には、中間層70を構成する材料(材料-A)の屈折率をnM(具体的には、材料-AをITOとする場合、nM=1.9であり、材料-AをTa2O5とする場合、nM=2.2である)、中間層70に接する第2光反射層42の第1層目421を構成する材料(材料-B)の屈折率をn1(具体的には、材料-BをSiO2とする場合、n1=1.47である)とし、発光素子から出射される主たる光の波長をλ0(=445nm)としたとき、中間層70は(λ0/4nM)を超える厚さを有し、中間層70に接する第2光反射層42の第1層目421は(λ0/4n1)の厚さを有し、更には、中間層70は(λ0/2nM)を超える厚さを有する。このように、中間層70の光学的厚さを、中間層70に接する第2光反射層42の第1層目421の光学的厚さよりも厚くすることで、中間層70に面する第2電極32の面の凹凸の状態の影響を中間層70の第2面72は受け難くなる結果、中間層70の第2面72の表面粗さの値が第1面71の表面粗さの値よりも小さい状態を確実に達成することができる。
以上の点を除き、実施例2の発光素子の構成、構造は、実施例1の発光素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例3は、実施例1~実施例2の変形である。実施例3の発光素子において、電極(第2電極32)を構成する材料(具体的には、ITO)の屈折率をn0(=1.9)、中間層70を構成する材料(材料-A)を、具体的には、Ta2O5(屈折率nM=2.2)としたとき、
0.8<n0/nM<1.2
好ましくは、
0.9<n0/nM<1.1
を満足する。あるいは又、中間層70を構成する材料(材料-A)を、具体的には、HfO2(屈折率nM=1.94)としたとき、
0.95<n0/nM<1.05
を満足し、また、
|n0-nM|≦0.1
を満足する。このように、第2電極32を構成する材料の屈折率n0と中間層70を構成する材料(材料-A)の屈折率nMの差(あるいは相対的な差)を小さくすることで、第2電極32と中間層70との界面における光の反射発生を抑制することができる結果、第2電極32と中間層70との界面における光散乱損失の発生を確実に抑制することができる。
0.8<n0/nM<1.2
好ましくは、
0.9<n0/nM<1.1
を満足する。あるいは又、中間層70を構成する材料(材料-A)を、具体的には、HfO2(屈折率nM=1.94)としたとき、
0.95<n0/nM<1.05
を満足し、また、
|n0-nM|≦0.1
を満足する。このように、第2電極32を構成する材料の屈折率n0と中間層70を構成する材料(材料-A)の屈折率nMの差(あるいは相対的な差)を小さくすることで、第2電極32と中間層70との界面における光の反射発生を抑制することができる結果、第2電極32と中間層70との界面における光散乱損失の発生を確実に抑制することができる。
以上の点を除き、実施例3の発光素子の構成、構造は、実施例1あるいは実施例2の発光素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例4は、実施例1~実施例3の発光素子の変形である。模式的な一部断面図を図4Bに示す実施例4の発光素子においては、平行な複数の溝部(縦筋)12を表面に有する基板11上に第1化合物半導体層21及び第1光反射層41が形成されている。基板11は、主面として{20-21}面を有するGaN基板から成る。このような基板11に発光構造体20を形成することで、発光素子から出射される光の偏光を制御することが可能である。
以上の点を除き、実施例4の発光素子の構成、構造は、実施例1、実施例2あるいは実施例3の発光素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例5は、実施例1~実施例4の変形である。実施例5の発光素子は、より具体的には、第1化合物半導体層21の頂面から第1光反射層41を介してレーザ光を出射する面発光レーザ素子(垂直共振器レーザ、VCSEL)から成る。
実施例5の発光素子にあっては、模式的な一部断面図を図5Aに示すように、第2光反射層42は、金(Au)層あるいは錫(Sn)を含む半田層から成る接合層48を介して、シリコン半導体基板から構成された支持基板49に半田接合法に基づき固定されている。
以下、実施例5の発光素子の製造方法を説明する。
[工程-500]
先ず、例えば、実施例1の[工程-100]~[工程-130]と同様の工程とすることで、図1Aに示す状態(但し、第1電極31は形成されていない)を得ることができる。
先ず、例えば、実施例1の[工程-100]~[工程-130]と同様の工程とすることで、図1Aに示す状態(但し、第1電極31は形成されていない)を得ることができる。
[工程-510]
その後、第2光反射層42を、接合層48を介して支持基板49に固定する。
その後、第2光反射層42を、接合層48を介して支持基板49に固定する。
[工程-520]
次いで、発光素子製造用基板11を除去して、第1化合物半導体層21の第1面21a及び第1光反射層41を露出させる。具体的には、先ず、機械研磨法に基づき、発光素子製造用基板11の厚さを薄くし、次いで、CMP法に基づき、発光素子製造用基板11の残部を除去する。こうして、第1化合物半導体層21の第1面21a及び第1光反射層41を露出させる。
次いで、発光素子製造用基板11を除去して、第1化合物半導体層21の第1面21a及び第1光反射層41を露出させる。具体的には、先ず、機械研磨法に基づき、発光素子製造用基板11の厚さを薄くし、次いで、CMP法に基づき、発光素子製造用基板11の残部を除去する。こうして、第1化合物半導体層21の第1面21a及び第1光反射層41を露出させる。
[工程-530]
その後、第1化合物半導体層21の第1面21a上に第1電極31を形成する。こうして、図5Aに示した構造を有する実施例5の発光素子を得ることができる。
その後、第1化合物半導体層21の第1面21a上に第1電極31を形成する。こうして、図5Aに示した構造を有する実施例5の発光素子を得ることができる。
実施例5の発光素子の製造にあっては、第1光反射層が形成されている状態で発光素子製造用基板を除去する。それ故、第1光反射層が、発光素子製造用基板の除去時に一種のストッパーとして機能する結果、発光素子製造用基板面内における発光素子製造用基板の除去バラツキ、更には、第1化合物半導体層の厚さバラツキの発生を抑制することができ、共振器の長さの均一化を図ることができる結果、得られる発光素子の特性の安定化を達成することができる。しかも、第1光反射層と第1化合物半導体層との界面における第1化合物半導体層の面(平坦面)は平坦であるが故に、平坦面でのレーザ光の散乱を最小限に抑えることができる。
以上に説明し、図5Aに示した発光素子の例では、第1電極31の端部は第1光反射層41から離間している。即ち、第1光反射層41と第1電極31とは離間しており、云い換えれば、オフセットを有しており、離間距離は1mm以内、具体的には、例えば、平均0.05mmである。但し、このような構造に限定するものではなく、第1電極31の端部が第1光反射層41と接していてもよいし、第1電極31の端部が第1光反射層41の縁部の上に亙り形成されていてもよい。
また、実施例1の[工程-100]を省略して、先ず、例えば、実施例1の[工程-110]~[工程-130]と同様の工程を実行した後、[工程-510]、[工程-520]を実行して、第1化合物半導体層21の第1面21aを露出させ、次いで、第1化合物半導体層21の第1面21a上に第1光反射層41、第1電極31を形成してもよい。こうして得られた発光素子の模式的な一部断面図を図5Bに示す。
また、第1化合物半導体層21の第1面21a上に第1光反射層41を形成する際、第1化合物半導体層21をエッチングして、第1化合物半導体層21の第1面21aに凹部を形成し、この凹部に第1光反射層41を形成してもよい(図6参照)。尚、第1化合物半導体層21に形成された傾斜部を参照番号41Aで示す。
実施例6は、実施例1~実施例5の発光素子の変形である。
発光構造体をGaAs系化合物半導体から構成する場合、共振器長LORは1μm程度である。一方、発光構造体をGaN系化合物半導体から構成する場合、共振器長LORは、通常、面発光レーザ素子から出射されるレーザ光の波長の数倍と長い。即ち、共振器長LORは1μmよりもかなり長い。そして、このように共振器長LORが長くなると、従来の1μm程度の共振器長LORを採用しているGaAs系面発光レーザ素子と異なり、回折損失が増加するためにレーザ発振が難しくなる。つまり、面発光レーザ素子として機能するのではなく、LEDとして機能することになってしまう虞がある。ここで、「回折損失」とは、一般に、光は回折効果に起因して広がろうとするため、共振器を往復するレーザ光は、次第に、共振器外へと散逸してしまう現象を指す。また、発光構造体をGaN系化合物半導体から構成する場合、熱飽和の問題が挙げられる。ここで、「熱飽和」とは、面発光レーザ素子の駆動時、自己発熱によって光出力が飽和する現象である。光反射層に用いられる材料(例えば、SiO2やTa2O5といった材料)は、GaN系化合物半導体よりも熱伝導率の値が低い。よって、GaN系化合物半導体層の厚さを厚くすることは、熱飽和を抑制することに繋がる。しかしながら、GaN系化合物半導体層の厚さを厚くすると、共振器長LORの長さが長くなるので、上記の問題が生じる。光反射層に凹面鏡としての機能を付与する技術が、例えば、特開2006-114753号公報や特開2000-022277号公報から周知である。しかしながら、これらの特許公開公報には、共振器長LORが長くなることに起因した回折損失の増加といった問題、熱飽和の問題に関して、何ら言及されていない。
このような問題を解決するために、実施例6の発光素子にあっては、第1光反射層41は凹面鏡部を有し、第2光反射層42は平坦な形状を有する。
このように、第1光反射層が凹面鏡部を有することで、活性層を起点に回折して広がり、そして、第1光反射層に入射した光を活性層に向かって確実に反射し、活性層に集光することができる。従って、回折損失が増加することを回避することができ、確実にレーザ発振を行うことができるし、長い共振器を有することから熱飽和の問題を回避することが可能となる。
実施例6の発光素子において、積層構造体の積層方向を含む仮想平面で第1光反射層を切断したときの第1光反射層の凹面鏡部の一部の発光構造体に面する界面が描く図形は、円の一部又は放物線の一部である形態とすることができる。図形は、厳密には円の一部ではない場合もあるし、厳密には放物線の一部ではない場合もある。即ち、概ね円の一部である場合、概ね放物線の一部である場合も、「図形は、円の一部又は放物線の一部である」ことに包含される。このような円の一部又は放物線の一部である第1光反射層の部分(領域)を、『第1光反射層の凹面鏡部における有効領域』と呼ぶ場合がある。尚、凹面鏡部の一部の発光構造体に面する界面が描く図形は、界面の形状を計測器で計測し、得られたデータを最小自乗法に基づき解析することで求めることができる。
また、実施例6の発光素子において、
第2化合物半導体層には、電流注入領域及び電流注入領域を取り囲む電流非注入領域が設けられており、
電流注入領域の面積重心点から、電流注入領域と電流非注入領域の境界までの最短距離DCIは、以下の式を満足する構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第1構成の発光素子』と呼ぶ。尚、以下の式の導出は、例えば,H. Kogelnik and T. Li, "Laser Beams and Resonators", Applied Optics/Vol. 5, No. 10/ October 1966 を参照のこと。また、ω0はビームウェスト半径とも呼ばれる。
第2化合物半導体層には、電流注入領域及び電流注入領域を取り囲む電流非注入領域が設けられており、
電流注入領域の面積重心点から、電流注入領域と電流非注入領域の境界までの最短距離DCIは、以下の式を満足する構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第1構成の発光素子』と呼ぶ。尚、以下の式の導出は、例えば,H. Kogelnik and T. Li, "Laser Beams and Resonators", Applied Optics/Vol. 5, No. 10/ October 1966 を参照のこと。また、ω0はビームウェスト半径とも呼ばれる。
DCI≧ω0/2 (1-1)
但し、
ω0 2≡(λ0/π){LOR(RDBR-LOR)}1/2 (1-2)
ここで、
λ0 :発振波長(活性層から出射される光の内、最大強度を有する光の波長)
LOR :共振器長
RDBR:第1光反射層の凹面鏡部の曲率半径
但し、
ω0 2≡(λ0/π){LOR(RDBR-LOR)}1/2 (1-2)
ここで、
λ0 :発振波長(活性層から出射される光の内、最大強度を有する光の波長)
LOR :共振器長
RDBR:第1光反射層の凹面鏡部の曲率半径
ここで、実施例6の発光素子は、第1光反射層にのみ凹面鏡部を有するが、第2光反射層の平板な鏡に対する対称性を考えれば、共振器は、同一の曲率半径を有する2つの凹面鏡部で挟まれたファブリペロー型共振器へと拡張することができる(図29の模式図を参照)。このとき、仮想的なファブリペロー型共振器の共振器長は、共振器長LORの2倍となる。ω0の値と共振器長LORの値と第1光反射層の凹面鏡部の曲率半径RDBRの値の関係を示すグラフを、図30及び図31に示す。尚、ω0の値が「正」であるとは、レーザ光が模式的に図32Aの状態にあることを示し、ω0の値が「負」であるとは、レーザ光が模式的に図32Bの状態にあることを示す。レーザ光の状態は、図32Aに示す状態であってもよいし、図32Bに示す状態であってもよい。但し、2つの凹面鏡部を有する仮想的なファブリペロー型共振器は、曲率半径RDBRが共振器長LORよりも小さくなると、図32Bに示す状態となり、閉じ込めが過剰になり回折損失を生じる。それ故、曲率半径RDBRが共振器長LORよりも大きい、図32Aに示す状態であることが好ましい。尚、活性層を、2つの光反射層のうち、平坦な光反射層、具体的には、第2光反射層に近づけて配置すると、光場は活性層においてより集光される。即ち、活性層における光場閉じ込めを強め、レーザ発振を容易ならしめる。
ところで、第1光反射層によって反射される光が集光される領域が、電流注入によって活性層が利得を持つ領域に対応する電流注入領域に含まれない場合、キャリアから光の誘導放出が阻害され、ひいては、レーザ発振が阻害される虞がある。上式(1-1)及び(1-2)を満足することで、第1光反射層によって反射される光が集光される領域が電流注入領域に含まれることを保証することができ、レーザ発振を確実に達成することができる。
そして、第1構成の発光素子は、
第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている構成とすることができる。
第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている構成とすることができる。
そして、このような好ましい構成を含む第1構成の発光素子において、第1光反射層の凹面鏡部における有効領域の半径r’DBRは、ω0≦r’DBR≦20・ω0、好ましくは、ω0≦r’DBR≦10・ω0を満足する構成とすることができる。あるいは又、r’DBRの値として、r’DBR≦1×10-4m、好ましくは、r’DBR≦5×10-5mを例示することができる。また、基部(後述する)の高さhDBRとして、hDBR≦5×10-5mを例示することができる。更には、このような好ましい構成を含む第1構成の発光素子において、DCI≧ω0を満足する構成とすることができる。更には、このような好ましい構成を含む第1構成の発光素子において、RDBR≦1×10-3m、好ましくは、1×10-5m≦RDBR≦1×10-3m、より好ましくは、1×10-5m≦RDBR≦1×10-4mを満足する構成とすることができる。
また、実施例6の発光素子は、
第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第2構成の発光素子』と呼ぶ。
第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第2構成の発光素子』と呼ぶ。
あるいは又、上記の好ましい形態を含む実施例6の発光素子は、
第2化合物半導体層の第2面上に形成された第2電極、
中間層を介して第2電極上に形成された第2光反射層、
第1化合物半導体層の第1面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、並びに、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第1光反射層は、第1化合物半導体層の第1面上からモードロス作用部位上に亙り形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第3構成の発光素子』と呼ぶ。尚、第3構成の発光素子の規定を、第1構成の発光素子に適用することができる。
第2化合物半導体層の第2面上に形成された第2電極、
中間層を介して第2電極上に形成された第2光反射層、
第1化合物半導体層の第1面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、並びに、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第1光反射層は、第1化合物半導体層の第1面上からモードロス作用部位上に亙り形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第3構成の発光素子』と呼ぶ。尚、第3構成の発光素子の規定を、第1構成の発光素子に適用することができる。
第2構成の発光素子又は第3構成の発光素子において、発光構造体には電流非注入領域(電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域の総称)が形成されているが、電流非注入領域は、具体的には、厚さ方向、第2化合物半導体層の第2電極側の領域に形成されていてもよいし、第2化合物半導体層全体に形成されていてもよいし、第2化合物半導体層及び活性層に形成されていてもよいし、第2化合物半導体層から第1化合物半導体層の一部に亙り形成されていてもよい。モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っているが、電流注入領域から充分に離れた領域においては、モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っていなくともよい。
第2構成の発光素子において、電流非注入・外側領域はモードロス作用領域の下方に位置している構成とすることができる。
上記の好ましい構成を含む第2構成の発光素子において、電流注入領域の正射影像の面積をS1、電流非注入・内側領域の正射影像の面積をS2としたとき、
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する構成とすることができる。また、第3構成の発光素子において、電流注入領域の正射影像の面積をS1’、電流非注入・内側領域の正射影像の面積をS2’としたとき、
0.01≦S1’/(S1’+S2’)≦0.7
を満足する構成とすることができる。但し、S1/(S1’+S2)の範囲、S1’/(S1’+S2’)の範囲は、上記の範囲に限定あるいは制限されるものではない。
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する構成とすることができる。また、第3構成の発光素子において、電流注入領域の正射影像の面積をS1’、電流非注入・内側領域の正射影像の面積をS2’としたとき、
0.01≦S1’/(S1’+S2’)≦0.7
を満足する構成とすることができる。但し、S1/(S1’+S2)の範囲、S1’/(S1’+S2’)の範囲は、上記の範囲に限定あるいは制限されるものではない。
上記の好ましい構成を含む第2構成の発光素子又は第3構成の発光素子において、電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、発光構造体へのイオン注入によって形成される構成とすることができる。このような構成の発光素子を、便宜上、『第2-A構成の発光素子』、『第3-A構成の発光素子』と呼ぶ。そして、この場合、イオン種は、ボロン、プロトン、リン、ヒ素、炭素、窒素、フッ素、酸素、ゲルマニウム及びシリコンから成る群から選択された少なくとも1種類のイオン(即ち、1種類のイオン又は2種類以上のイオン)である構成とすることができる。
あるいは又、上記の好ましい構成を含む第2構成の発光素子又は第3構成の発光素子において、電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、第2化合物半導体層の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層の第2面への反応性イオンエッチング処理によって形成される構成とすることができる。このような構成の発光素子を、便宜上、『第2-B構成の発光素子』、『第3-B構成の発光素子』と呼ぶ。これらの処理にあっては、電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域はプラズマ粒子に晒されるので、第2化合物半導体層の導電性に劣化が生じ、電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は高抵抗状態となる。即ち、電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、第2化合物半導体層の第2面のプラズマ粒子への暴露によって形成される構成とすることができる。プラズマ粒子として、具体的には、アルゴン、酸素、窒素等を挙げることができる。
あるいは又、上記の好ましい構成を含む第2構成の発光素子又は第3構成の発光素子において、第2光反射層は、第1光反射層からの光を、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって反射あるいは散乱する領域を有する構成とすることができる。このような構成の発光素子を、便宜上、『第2-C構成の発光素子』、『第3-C構成の発光素子』と呼ぶ。具体的には、モードロス作用部位の側壁(モードロス作用部位に設けられた開口部の側壁)の上方に位置する第2光反射層の領域は、順テーパー状の傾斜を有し、あるいは又、第1光反射層に向かって凸状に湾曲した領域を有する。あるいは又、上記の好ましい形態を含む第2構成の発光素子又は第3構成の発光素子において、第1光反射層は、第2光反射層からの光を、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって反射あるいは散乱する領域を有する構成とすることができる。具体的には、第1光反射層の一部の領域に、順テーパー状の傾斜を形成し、あるいは、第2光反射層に向かって凸状の湾曲部を形成すればよいし、あるいは又、モードロス作用部位の側壁(モードロス作用部位に設けられた開口部の側壁)の上方に位置する第1光反射層の領域は、順テーパー状の傾斜を有し、あるいは又、第2光反射層に向かって凸状に湾曲した領域を有する構成とすればよい。また、モードロス作用部位の頂面と、モードロス作用部位に設けられた開口部の側壁との境界(側壁エッジ部)において光を散乱させることで、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって光を散乱させる構成とすることもできる。
以上に説明した第2-A構成の発光素子、第2-B構成の発光素子あるいは第2-C構成の発光素子において、電流注入領域における活性層から第2化合物半導体層の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0としたとき、
L0>L2
を満足する構成とすることができる。また、以上に説明した第3-A構成の発光素子、第3-B構成の発光素子あるいは第3-C構成の発光素子において、電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’>L1’
を満足する構成とすることができる。更には、これらの構成を含む、以上に説明した第2-A構成の発光素子、第3-A構成の発光素子、第2-B構成の発光素子、第3-B構成の発光素子、第2-C構成の発光素子あるいは第3-C構成の発光素子において、生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する構成とすることができる。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域の存在によって、モードロス作用領域の正射影像内において、Z軸から離れるほど、減少するが、基本モードの光場強度の減少よりも高次モードのモードロスの方が多く、基本モードを一層安定化させることができるし、電流注入内側領域が存在しない場合に比べるとモードロスを抑制することができるので、閾値電流の低下を図ることができる。
L0>L2
を満足する構成とすることができる。また、以上に説明した第3-A構成の発光素子、第3-B構成の発光素子あるいは第3-C構成の発光素子において、電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’>L1’
を満足する構成とすることができる。更には、これらの構成を含む、以上に説明した第2-A構成の発光素子、第3-A構成の発光素子、第2-B構成の発光素子、第3-B構成の発光素子、第2-C構成の発光素子あるいは第3-C構成の発光素子において、生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する構成とすることができる。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域の存在によって、モードロス作用領域の正射影像内において、Z軸から離れるほど、減少するが、基本モードの光場強度の減少よりも高次モードのモードロスの方が多く、基本モードを一層安定化させることができるし、電流注入内側領域が存在しない場合に比べるとモードロスを抑制することができるので、閾値電流の低下を図ることができる。
また、以上に説明した第2-A構成の発光素子、第3-A構成の発光素子、第2-B構成の発光素子、第3-B構成の発光素子、第2-C構成の発光素子あるいは第3-C構成の発光素子において、モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る構成とすることができる。誘電体材料として、SiOX、SiNX、AlNX、AlOX、TaOX、ZrOXを例示することができるし、金属材料あるいは合金材料として、チタン、金、白金あるいはこれらの合金を例示することができるが、これらの材料に限定するものではない。これらの材料から構成されたモードロス作用部位により光を吸収させ、モードロスを増加させることができる。あるいは直接的に光を吸収しなくても、位相を乱すことでモードロスを制御することができる。この場合、モードロス作用部位は誘電体材料から成り、モードロス作用部位の光学的厚さt0は、発振波長λ0の1/4の整数倍から外れる値である構成とすることができる。即ち、共振器内を周回し定在波を形成する光の位相を、モードロス作用部位においては位相を乱すことで定在波を破壊し、それに相応するモードロスを与えることができる。あるいは又、モードロス作用部位は誘電体材料から成り、モードロス作用部位(屈折率をnm-lossとする)の光学的厚さt0は、発振波長λ0の1/4の整数倍である構成とすることができる。即ち、モードロス作用部位の光学的厚さt0は、発光素子において生成した光の位相を乱さず定在波を破壊しないような厚さである構成とすることができる。但し、厳密に1/4の整数倍である必要はなく、
(λ0/4nm-loss)×m-(λ0/8nm-loss)≦t0≦(λ0/4nm-loss)×2m+(λ0/8nm-loss)
を満足すればよい。あるいは又、モードロス作用部位を、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る構成とすることで、モードロス作用部位を通過する光がモードロス作用部位によって、位相を乱されたり、吸収させることができる。そして、これらの構成を採用することで、発振モードロスの制御を一層高い自由度をもって行うことができるし、発光素子の設計自由度を一層高くすることができる。
(λ0/4nm-loss)×m-(λ0/8nm-loss)≦t0≦(λ0/4nm-loss)×2m+(λ0/8nm-loss)
を満足すればよい。あるいは又、モードロス作用部位を、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る構成とすることで、モードロス作用部位を通過する光がモードロス作用部位によって、位相を乱されたり、吸収させることができる。そして、これらの構成を採用することで、発振モードロスの制御を一層高い自由度をもって行うことができるし、発光素子の設計自由度を一層高くすることができる。
あるいは又、上記の好ましい構成を含む第2構成の発光素子において、
第2化合物半導体層の第2面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第2化合物半導体層の第2面の領域上に形成されている構成とすることができる。このような構成の発光素子を、便宜上、『第2-D構成の発光素子』と呼ぶ。凸部は、電流注入領域及び電流非注入・内側領域を占めている。そして、この場合、電流注入領域における活性層から第2化合物半導体層の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0としたとき、
L0<L2
を満足する構成とすることができ、更には、これらの場合、生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入・内側領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する構成とすることができる。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域の存在によって、電流注入領域及び電流非注入・内側領域の正射影像内において増加する。更には、これらの場合、モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る構成とすることができる。ここで、誘電体材料、金属材料又は合金材料として、上述した各種の材料を挙げることができる。
第2化合物半導体層の第2面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第2化合物半導体層の第2面の領域上に形成されている構成とすることができる。このような構成の発光素子を、便宜上、『第2-D構成の発光素子』と呼ぶ。凸部は、電流注入領域及び電流非注入・内側領域を占めている。そして、この場合、電流注入領域における活性層から第2化合物半導体層の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0としたとき、
L0<L2
を満足する構成とすることができ、更には、これらの場合、生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入・内側領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する構成とすることができる。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域の存在によって、電流注入領域及び電流非注入・内側領域の正射影像内において増加する。更には、これらの場合、モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る構成とすることができる。ここで、誘電体材料、金属材料又は合金材料として、上述した各種の材料を挙げることができる。
あるいは又、上記の好ましい構成を含む第3構成の発光素子において、
第1化合物半導体層の第1面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の第1面の領域上に形成されており、あるいは又、モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の領域から構成されている構成とすることができる。このような構成の発光素子を、便宜上、『第3-D構成の発光素子』と呼ぶ。凸部は、電流注入領域及び電流非注入・内側領域の正射影像と一致する。そして、この場合、電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’<L1’
を満足する構成とすることができ、更には、これらの場合、生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する構成とすることができ、更には、これらの場合、モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る構成とすることができる。ここで、誘電体材料、金属材料又は合金材料として、上述した各種の材料を挙げることができる。
第1化合物半導体層の第1面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の第1面の領域上に形成されており、あるいは又、モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の領域から構成されている構成とすることができる。このような構成の発光素子を、便宜上、『第3-D構成の発光素子』と呼ぶ。凸部は、電流注入領域及び電流非注入・内側領域の正射影像と一致する。そして、この場合、電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’<L1’
を満足する構成とすることができ、更には、これらの場合、生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する構成とすることができ、更には、これらの場合、モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る構成とすることができる。ここで、誘電体材料、金属材料又は合金材料として、上述した各種の材料を挙げることができる。
更には、以上に説明した好ましい形態、構成(第1構成の発光素子~第3構成の発光素子を含む)を含む実施例6の発光素子において、第1化合物半導体層の第1面と第1光反射層との間には化合物半導体基板が配されている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第4構成の発光素子』と呼ぶ。この場合、化合物半導体基板はGaN基板から成る構成とすることができる。尚、化合物半導体基板の厚さとして、5×10-5m乃至1×10-4mを例示することができるが、このような値に限定するものではない。そして、このような構成を含む第4構成の発光素子において、第1光反射層の凹面鏡部は、化合物半導体基板の突出部から成る基部、及び、少なくとも基部の一部の表面に形成された多層光反射膜から構成されている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第4-A構成の発光素子』と呼ぶ。あるいは又、第1光反射層の凹面鏡部は、化合物半導体基板上に形成された基部、及び、少なくとも基部の一部の表面に形成された多層光反射膜から構成されている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第4-B構成の発光素子』と呼ぶ。第4-A構成の発光素子における基部を構成する材料は、例えば、GaN基板である。GaN基板として、極性基板、半極性基板、無極性基板のいずれを用いてもよい。一方、第4-B構成の発光素子における基部を構成する材料として、TiO2、Ta2O5、SiO2等の透明な誘電体材料、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂を例示することができる。
あるいは又、以上に説明した好ましい形態、構成(第1構成の発光素子~第3構成の発光素子を含む)を含む実施例6の発光素子において、第1化合物半導体層の第1面に第1光反射層が形成されている構成とすることができる。ここで、このような構成の発光素子を、便宜上、『第5構成の発光素子』と呼ぶ。
更には、以上に説明した好ましい形態、構成(第1構成の発光素子~第5構成の発光素子を含む)を含む実施例6の発光素子において、発光構造体の熱伝導率の値は、第1光反射層の熱伝導率の値よりも高い構成とすることができる。第1光反射層を構成する誘電体材料の熱伝導率の値は、一般に、10ワット/(m・K)程度あるいはそれ以下である。一方、発光構造体を構成するGaN系化合物半導体の熱伝導率の値は、50ワット/(m・K)程度乃至100ワット/(m・K)程度である。
更には、以上に説明した好ましい形態、構成(第1構成の発光素子~第5構成の発光素子を含む)を含む実施例6の発光素子において、発光素子の凹面鏡部(具体的には、第1光反射層の凹面鏡部における半径r’DBRの有効領域)の曲率半径をRDBRとしたとき、RDBR≦1×10-3m、好ましくは、1×10-5m≦RDBR≦1×10-3m、より好ましくは、1×10-5m≦RDBR≦1×10-4mを満足する構成とすることができる。また、1×10-5m≦LORを満足するが、好ましくは1×10-5m≦LOR≦5×10-4m、より好ましくは、1×10-5m≦LOR≦1×10-4mを満足することが望ましい。
更には、以上に説明した好ましい形態、構成(第1構成の発光素子~第5構成の発光素子を含む)を含む実施例6の発光素子において、第1光反射層の周囲には凸形状部が形成されており、第1光反射層は凸形状部から突出していない構成とすることができ、これによって、第1光反射層を保護することができる。即ち、第1光反射層は凸形状部よりも引っ込んだ状態で設けられるが故に、例えば、何らかの物体が凸形状部と接触しても、この物体が第1光反射層と接触することが無く、第1光反射層を確実に保護することができる。
また、以上に説明した好ましい形態、構成(第1構成の発光素子~第5構成の発光素子を含む)を含む実施例6の発光素子において、活性層と第1光反射層との間に位置する各種の化合物半導体層(化合物半導体基板を含む)を構成する材料にあっては、10%以上の屈折率の変調が無いこと(発光構造体の平均屈折率を基準として、10%以上の屈折率差が無いこと)が好ましく、これによって、共振器内の光場の乱れ発生を抑制することができる。
また、第1光反射層41は凹面鏡部を有し、第2光反射層42は平坦な形状を有するといった構造、構成を除き、以上に説明した好ましい形態、構成(第1構成の発光素子~第5構成の発光素子を含む)を含む実施例6の発光素子における各種の構成、構造は、実施例1~実施例5の発光素子に適用することができることは云うまでもない。
以下、実施例6の発光素子について、具体的な説明を行うが、第1化合物半導体層21の第1面21a側には、凹面鏡部43を有する第2光反射層41が配設され、第2化合物半導体層22の第2面22b側には平坦な形状を有する第2光反射層42が配設されている。後述する実施例7~実施例16においても同様である。
実施例6の発光素子は、具体的には、第4-A構成の発光素子である。実施例6あるいは後述する実施例7~実施例14の発光素子は、より具体的には、第2化合物半導体層の頂面から第2光反射層を介してレーザ光を出射する面発光レーザ素子(垂直共振器レーザ、VCSEL)から成る。また、後述する実施例15、実施例16の発光素子は、より具体的には、第1化合物半導体層の頂面から第1光反射層を介してレーザ光を出射する面発光レーザ素子(垂直共振器レーザ、VCSEL)から成る。実施例6の発光素子の模式的な一部端面図を図7に示す。
そして、実施例6の発光素子において、積層構造体の積層方向を含む仮想平面で第1光反射層41を切断したときの第1光反射層41の凹面鏡部43の一部(第1光反射層41の凹面鏡部43における有効領域44)の発光構造体に面する界面43aが描く図形は、円の一部又は放物線の一部である。尚、有効領域44の外側に位置する凹面鏡部43の部分の形状(断面形状の図形)は、円の一部や放物線の一部でなくともよい。
そして、第1光反射層41の凹面鏡部43は、化合物半導体基板11の第1面11aの突出部11a’から成る基部45A、及び、少なくとも基部45Aの一部の表面(具体的には、基部45Aの表面)に形成された多層光反射膜46から構成されている。更には、凹面鏡部43(具体的には、第1光反射層41の凹面鏡部43における半径r’DBRの有効領域44)の曲率半径をRDBRとしたとき、
RDBR≦1×10-3m
を満足する。具体的には、限定するものではないが、
LOR =50μm
RDBR =70μm
r’DBR=20μm
を例示することができる。また、発振波長λ0として、
λ0 =450nm
を例示することができる。
RDBR≦1×10-3m
を満足する。具体的には、限定するものではないが、
LOR =50μm
RDBR =70μm
r’DBR=20μm
を例示することができる。また、発振波長λ0として、
λ0 =450nm
を例示することができる。
ここで、活性層23から基部45Aと多層光反射膜46との界面までの距離をT0とすると、理想的な放物線の関数x=f(z)は、
x =z2/t0
hDBR=r’DBR 2/2T0
で表すことができるが、界面43aが描く図形を放物線の一部としたとき、このような理想的な放物線から逸脱した放物線であってもよいことは云うまでもない。
x =z2/t0
hDBR=r’DBR 2/2T0
で表すことができるが、界面43aが描く図形を放物線の一部としたとき、このような理想的な放物線から逸脱した放物線であってもよいことは云うまでもない。
また、発光構造体20の熱伝導率の値は、第1光反射層41の熱伝導率の値よりも高い。第1光反射層41を構成する誘電体材料の熱伝導率の値は、10ワット/(m・K)程度あるいはそれ以下である。一方、発光構造体20を構成するGaN系化合物半導体の熱伝導率の値は、50ワット/(m・K)程度乃至100ワット/(m・K)程度である。
以下、積層構造体等の模式的な一部端面図である図8A、図8B、図9、図10、図11、図12及び図13を参照して、実施例6の発光素子の製造方法を説明する。
[工程-600]
先ず、厚さ0.4mm程度の化合物半導体基板11の第2面11b上に、
第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
第1化合物半導体層21の第2面21bと面する活性層(発光層)23、並びに、
活性層23と面する第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有する第2化合物半導体層22、
が積層された、GaN系化合物半導体から成る発光構造体20を形成する。具体的には、周知のMOCVD法によるエピタキシャル成長法に基づき、第1化合物半導体層21、活性層23及び第2化合物半導体層22を、化合物半導体基板11の第2面11b上に、順次、形成することで、発光構造体20を得ることができる(図8A参照)。
先ず、厚さ0.4mm程度の化合物半導体基板11の第2面11b上に、
第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
第1化合物半導体層21の第2面21bと面する活性層(発光層)23、並びに、
活性層23と面する第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有する第2化合物半導体層22、
が積層された、GaN系化合物半導体から成る発光構造体20を形成する。具体的には、周知のMOCVD法によるエピタキシャル成長法に基づき、第1化合物半導体層21、活性層23及び第2化合物半導体層22を、化合物半導体基板11の第2面11b上に、順次、形成することで、発光構造体20を得ることができる(図8A参照)。
[工程-610]
次いで、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、CVD法やスパッタリング法、真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法との組合せに基づき、開口25を有し、SiO2から成る絶縁層(電流狭窄層)24を形成する(図8B参照)。開口25を有する絶縁層24によって、電流狭窄領域(電流注入領域61A及び電流非注入領域61B)が規定される。即ち、開口25によって電流注入領域61Aが規定される。
次いで、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、CVD法やスパッタリング法、真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法との組合せに基づき、開口25を有し、SiO2から成る絶縁層(電流狭窄層)24を形成する(図8B参照)。開口25を有する絶縁層24によって、電流狭窄領域(電流注入領域61A及び電流非注入領域61B)が規定される。即ち、開口25によって電流注入領域61Aが規定される。
電流狭窄領域を得るためには、第2電極32と第2化合物半導体層22との間に絶縁材料(例えば、SiOXやSiNX、AlOX)から成る絶縁層(電流狭窄層)を形成してもよいし、あるいは又、第2化合物半導体層22をRIE法等によりエッチングしてメサ構造を形成してもよいし、あるいは又、積層された第2化合物半導体層22の一部の層を横方向から部分的に酸化して電流狭窄領域を形成してもよいし、第2化合物半導体層22に不純物をイオン注入して導電性が低下した領域を形成してもよいし、あるいは、これらを、適宜、組み合わせてもよい。但し、第2電極32は、電流狭窄により電流が流れる第2化合物半導体層22の部分と電気的に接続されている必要がある。
[工程-620]
その後、第2化合物半導体層22上に第2電極32、中間層70及び第2光反射層42を形成する。具体的には、開口25(電流注入領域61A)の底面に露出した第2化合物半導体層22の第2面22bから絶縁層24の上に亙り、例えば、リフトオフ法に基づき第2電極32を形成し、更に、スパッタリング法や真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法との組合せに基づきパッド電極33を形成する。次いで、第2電極32の上からパッド電極33の上に亙り、スパッタリング法や真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法との組合せに基づき中間層70及び第2光反射層42を形成する。こうして、図9に示す構造を得ることができる。
その後、第2化合物半導体層22上に第2電極32、中間層70及び第2光反射層42を形成する。具体的には、開口25(電流注入領域61A)の底面に露出した第2化合物半導体層22の第2面22bから絶縁層24の上に亙り、例えば、リフトオフ法に基づき第2電極32を形成し、更に、スパッタリング法や真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法との組合せに基づきパッド電極33を形成する。次いで、第2電極32の上からパッド電極33の上に亙り、スパッタリング法や真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法との組合せに基づき中間層70及び第2光反射層42を形成する。こうして、図9に示す構造を得ることができる。
[工程-630]
次いで、第2光反射層42を、接合層48を介して支持基板49に固定する(図10参照)。具体的には、第2光反射層42を、接着剤から成る接合層48を用いて、サファイア基板から構成された支持基板49に固定する。
次いで、第2光反射層42を、接合層48を介して支持基板49に固定する(図10参照)。具体的には、第2光反射層42を、接着剤から成る接合層48を用いて、サファイア基板から構成された支持基板49に固定する。
[工程-640]
次いで、化合物半導体基板11を、機械研磨法やCMP法に基づき薄くし、更に、化合物半導体基板11の第1面11aに鏡面仕上げを施す(図11参照)。化合物半導体基板11の第1面11aの表面粗さRaの値は10nm以下であることが好ましい。そして、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突出部11a’から成る基部45Aを形成する。具体的には、基部45Aを形成すべき化合物半導体基板11の第1面11a上にパターニングされたレジスト層を形成し、レジスト層を加熱することでレジスト層をリフローさせて、レジストパターンを得る。レジストパターンには突出部11a’の形状と同じ形状(あるいは類似した形状)が付与される。そして、レジストパターン及び化合物半導体基板11の第1面11aを、RIE法等を用いてエッチバックすることによって、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突出部11a’から成る基部45Aを形成することができる(図12参照)。
次いで、化合物半導体基板11を、機械研磨法やCMP法に基づき薄くし、更に、化合物半導体基板11の第1面11aに鏡面仕上げを施す(図11参照)。化合物半導体基板11の第1面11aの表面粗さRaの値は10nm以下であることが好ましい。そして、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突出部11a’から成る基部45Aを形成する。具体的には、基部45Aを形成すべき化合物半導体基板11の第1面11a上にパターニングされたレジスト層を形成し、レジスト層を加熱することでレジスト層をリフローさせて、レジストパターンを得る。レジストパターンには突出部11a’の形状と同じ形状(あるいは類似した形状)が付与される。そして、レジストパターン及び化合物半導体基板11の第1面11aを、RIE法等を用いてエッチバックすることによって、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突出部11a’から成る基部45Aを形成することができる(図12参照)。
[工程-650]
その後、少なくとも基部45Aの一部の上に多層光反射膜46を形成する。具体的には、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)から基部45Aの上に亙り、スパッタリング法や真空蒸着法といった周知の方法に基づき多層光反射膜46を形成する。そして、ウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法に基づき多層光反射膜46の不要な部分を除去して第1光反射層41を得た後(図13参照)、化合物半導体基板11の第1面11a上に、スパッタリング法や真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法との組合せに基づき第1電極31を形成することで、第1化合物半導体層21に電気的に接続された第1電極31を得ることができる。
その後、少なくとも基部45Aの一部の上に多層光反射膜46を形成する。具体的には、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)から基部45Aの上に亙り、スパッタリング法や真空蒸着法といった周知の方法に基づき多層光反射膜46を形成する。そして、ウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法に基づき多層光反射膜46の不要な部分を除去して第1光反射層41を得た後(図13参照)、化合物半導体基板11の第1面11a上に、スパッタリング法や真空蒸着法といった成膜法とウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法との組合せに基づき第1電極31を形成することで、第1化合物半導体層21に電気的に接続された第1電極31を得ることができる。
[工程-660]
そして、支持基板49を剥離する。こうして、図7に示す構造を得ることができる。その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を、例えば、SiO2から成る絶縁膜で被覆する。次いで、パッケージや封止することで、実施例6の発光素子を完成させる。
そして、支持基板49を剥離する。こうして、図7に示す構造を得ることができる。その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を、例えば、SiO2から成る絶縁膜で被覆する。次いで、パッケージや封止することで、実施例6の発光素子を完成させる。
尚、[工程-640]において、化合物半導体基板11を薄くし、更に、鏡面仕上げを施した後、支持基板49を剥離してもよい。
また、実施例6の発光素子の変形例として、[工程-640]において、化合物半導体基板11を薄くし、更に、鏡面仕上げを施した後、そして、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突出部11a’から成る基部45Aを形成する前に、基部45Aを形成すべき化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)の領域に凹み11a”を形成し、凹み11a”内にパターニングされたレジスト層を形成し、レジスト層を加熱することでレジスト層をリフローさせて、レジストパターンを得る。レジストパターンには突出部11a’の形状と同じ形状(あるいは類似した形状)が付与される。そして、レジストパターン及び凹み11a”の部分を、RIE法等を用いてエッチバックすることによって、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)の凹み11a”内に突出部11a’から成る基部45Aを形成してもよい(図14参照)。次に、基部45Aの上を含む全面に、スパッタリング法や真空蒸着法といった周知の方法に基づき多層光反射膜46を形成する。そして、ウェットエッチング法やドライエッチング法といったパターニング法に基づき多層光反射膜46の不要な部分を除去することで、第1光反射層41を得ることができる。即ち、第1光反射層41の周囲には凸形状部11Aが形成されており、第1光反射層41は凸形状部11A(化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)から構成されている)から突出しておらず、これによって、第1光反射層41を保護することができる。
あるいは又、[工程-640]において、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突出部11a’から成る基部45Aを形成すると同時に、基部45Aと離間して、基部45Aを囲むように、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突起部を形成してもよい。具体的には、基部45Aを形成すべき化合物半導体基板11の第1面11a上にパターニングされたレジスト層を形成し、レジスト層を加熱することでレジスト層をリフローさせて、レジストパターンを得る。レジストパターンには突出部11a’の形状と同じ形状(あるいは類似した形状)が付与される。併せて、レジストパターンと離間して、レジストパターンを囲むように、突起部を形成すべき化合物半導体基板11の第1面11aの部分の上にレジスト層を形成する。そして、レジストパターン、レジスト層及び化合物半導体基板11の第1面11aを、RIE法等を用いてエッチバックすることによって、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)に突出部11a’から成る基部45Aを形成することができ、併せて、突起部を形成することができる。第1光反射層41の周囲には突起部が形成されており、第1光反射層41は突起部(化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)から構成されている)から突出しておらず、これによって、第1光反射層41を保護することができる。
あるいは又、上記の[工程-650]において、少なくとも基部45Aの一部の上に多層光反射膜46を形成することで第1光反射層41を得た後、化合物半導体基板11の第1面11a上に、第1光反射層41を囲む凸形状部11Aを形成してもよい(図15参照)。凸形状部11Aは、例えば、絶縁材料や金属材料から構成すればよい。このように、第1光反射層41の周囲には凸形状部11Aが形成されており、第1光反射層41は凸形状部11Aから突出しておらず、これによって、第1光反射層41を保護することができる。
実施例6の発光素子において、第1光反射層は凹面鏡部を有している。それ故、活性層を起点に回折して広がり、そして、第1光反射層に入射した光を活性層に向かって確実に反射し、活性層に集光することができる。従って、共振器長LORが1×10-5m以上であっても、回折損失が増加することを回避することができる結果、確実にレーザ発振を行うことができるし、共振器長LORが1×10-5m以上とすることができるが故に、熱飽和の問題を緩和することもできる。また、共振器長LORが1×10-5m以上とすることができるが故に、発光素子の製造プロセスの許容度が高くなる結果、歩留りの向上を図ることができる。
また、後述する実施例9を除き、発光素子の製造プロセスにあっては、GaN基板を用いるが、ELO法等の横方向にエピタキシャル成長させる方法に基づきGaN系化合物半導体を形成してはいない。従って、GaN基板として、極性GaN基板だけでなく、半極性GaN基板や無極性GaN基板を用いることができる。極性GaN基板を使用すると、活性層におけるピエゾ電界の効果のために発光効率が低下する傾向があるが、無極性GaN基板や半極性GaN基板を用いれば、このような問題を解決したり、緩和することが可能である。
実施例7は、実施例6の変形であり、第4-B構成の発光素子に関する。模式的な一部端面図を図16に示す実施例7の発光素子において、第1光反射層41の凹面鏡部43は、化合物半導体基板11の上(具体的には、化合物半導体基板11の第1面11aの上)に形成された突出部45cから成る基部45B、及び、少なくとも基部45Bの一部(具体的には、基部45Bの表面)に形成された多層光反射膜46から構成されている。基部45B(突出部45c)を構成する材料として、TiO2、Ta2O5、SiO2等の透明な誘電体材料、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂等を挙げることができる。
実施例7の発光素子は、実施例6の[工程-640]と同様の工程において、化合物半導体基板11を薄くし、鏡面仕上げを施した後、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)の上に突出部45cから成る基部45Bを形成する。具体的には、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)の上に、例えば、TiO2層又はTa2O5層を形成し、次いで、基部45Bを形成すべきTiO2層又はTa2O5層の上にパターニングされたレジスト層を形成し、レジスト層を加熱することでレジスト層をリフローさせて、レジストパターンを得る。レジストパターンには突出部45cの形状と同じ形状(あるいは類似した形状)が付与される。そして、レジストパターン及びTiO2層又はTa2O5層をエッチバックすることによって、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)の上に突出部45cから成る基部45Bを形成することができる。次いで、化合物半導体基板11の露出面(第1面11a)から基部45Bの上に亙り、周知の方法に基づき多層光反射膜46を形成する。その後、多層光反射膜46の不要な部分を除去して第1光反射層41を得た後、化合物半導体基板11の第1面11a上に第1電極31を形成することで、第1化合物半導体層21に電気的に接続された第1電極31を得ることができる。
以上の点を除き、実施例7の発光素子の構成、構造は、実施例6の発光素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。尚、実施例6の発光素子の変形例を実施例7に適用することもできる。
実施例8も、実施例6又は実施例7の変形であり、第5構成の発光素子に関する。模式的な一部端面図を図17に示す実施例8の発光素子において、第1化合物半導体層21の第1面21aには第1光反射層41が形成されている。実施例8の発光素子の製造においては、実施例6の[工程-640]と同様の工程において、発光素子製造用基板11を除去し、第1化合物半導体層21の第1面21aを露出させる。そして、実施例6と同様に、基部45Dを形成すべき第1化合物半導体層21の第1面21a上にパターニングされたレジスト層を形成し、レジスト層を加熱することでレジスト層をリフローさせて、レジストパターンを得る。レジストパターンには突出部21dの形状と同じ形状(あるいは類似した形状)が付与される。そして、レジストパターン及び第1化合物半導体層21の第1面21aをエッチバックすることによって、第1化合物半導体層21の第1面21aに突出部21dから成る基部45Dを形成することができる。あるいは又、模式的な一部端面図を図18に示す実施例8の発光素子の変形例において、第1化合物半導体層21の第1面21aの上に、例えば、TiO2層又はTa2O5層を形成し、次いで、基部45Eを形成すべきTiO2層又はTa2O5層の上にパターニングされたレジスト層を形成し、レジスト層を加熱することでレジスト層をリフローさせて、レジストパターンを得る。レジストパターンには突出部21eの形状と同じ形状(あるいは類似した形状)が付与される。そして、レジストパターン及びTiO2層又はTa2O5層をエッチバックすることによって、第1化合物半導体層21の第1面21aの上に突出部21eから成る基部45Eを形成することができる。
以上の点を除き、実施例8の発光素子及びその変形例の構成、構造は、実施例6あるいは実施例7の発光素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。尚、支持基板49や接合層48を除去せず、残しておいてもよい。
実施例9は、実施例8の変形である。実施例9の発光素子の模式的な一部端面図は、実質的に、図18と同様であるし、実施例9の発光素子の構成、構造は、実質的に、実施例8の発光素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例9にあっては、先ず、発光素子製造用基板11の第2面11bに、凹面鏡部43を形成するための凹部43Aを形成する。そして、発光素子製造用基板11の第2面11bの上に、多層膜から成る第1光反射層41を形成した後、第1光反射層41上に平坦化膜47を形成し、平坦化膜47及び第1光反射層41に平坦化処理を施し、平坦化膜47及び第1光反射層41を残しつつ、発光素子製造用基板11の第2面11bの一部を露出させる(図19A参照)。第1光反射層41の平面形状は円形である。但し、第1光反射層41の形状はこれに限定するものではない。
次に、第1光反射層41を含む発光素子製造用基板11上に、ELO法等の横方向にエピタキシャル成長させる方法を用いて、横方向成長に基づき発光構造体20を形成する(図19B参照)。その後、実施例6の[工程-610]及び[工程-620]を実行する。そして、発光素子製造用基板11を除去し、露出した第1化合物半導体層21の第1面21aに第1電極31を形成する。あるいは又、発光素子製造用基板11を除去すること無く、発光素子製造用基板11の第1面11aに第1電極31を形成する。その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を、例えば、SiO2から成る絶縁膜で被覆する。そして、パッケージや封止することで、実施例9の発光素子を完成させることができる。
実施例10は、実施例6~実施例9の変形であり、第1構成の発光素子に関する。前述したとおり、開口25を有する絶縁層24によって、電流狭窄領域(電流注入領域61A及び電流非注入領域61B)が規定される。即ち、開口25によって電流注入領域61Aが規定される。即ち、実施例10の発光素子にあっては、第2化合物半導体層22には、電流注入領域61A及び電流注入領域61Aを取り囲む電流非注入領域61Bが設けられており、電流注入領域61Aの面積重心点から、電流注入領域61Aと電流非注入領域61Bの境界61Cまでの最短距離DCIは、前述した式(1-1)及び式(1-2)を満足する。
実施例10の発光素子にあっては、第1光反射層41の凹面鏡部43における有効領域の半径r’DBRは、
ω0≦r’DBR≦20・ω0
を満足する。また、DCI≧ω0を満足する。更には、RDBR≦1×10-3mを満足する。具体的には、
DCI =4μm
ω0 =1.5μm
LOR =50μm
RDBR=60μm
λ0 =525nm
を例示することができる。また、開口25の直径として8μmを例示することができる。GaN基板として、c面をm軸方向に約75度傾けた面を主面とする基板を用いる。即ち、GaN基板は、主面として、半極性面である{20-21}面を有する。尚、このようなGaN基板を、他の実施例において用いることもできる。
ω0≦r’DBR≦20・ω0
を満足する。また、DCI≧ω0を満足する。更には、RDBR≦1×10-3mを満足する。具体的には、
DCI =4μm
ω0 =1.5μm
LOR =50μm
RDBR=60μm
λ0 =525nm
を例示することができる。また、開口25の直径として8μmを例示することができる。GaN基板として、c面をm軸方向に約75度傾けた面を主面とする基板を用いる。即ち、GaN基板は、主面として、半極性面である{20-21}面を有する。尚、このようなGaN基板を、他の実施例において用いることもできる。
凹面鏡部43の中心軸(Z軸)と、XY平面方向における電流注入領域61Aとの間のズレは、発光素子の特性を悪化させる原因となる。凹面鏡部43の形成のためのパターニング、開口25の形成のためのパターニングのいずれも、リソグラフィ技術を用いることが多いが、この場合、両者の位置関係は、露光機の性能に応じてXY平面内で屡々ずれる。特に、開口25(電流注入領域61A)は、第2化合物半導体層22の側からアライメントを行って位置決めされる。一方、凹面鏡部43は、化合物半導体基板11の側からアライメントを行って位置決めされる。そこで、実施例10の発光素子では、開口25(電流注入領域61)を、凹面鏡部43によって光が絞られる領域よりも大きく形成することで、凹面鏡部43の中心軸(Z軸)と、XY平面方向における電流注入領域61Aとの間にズレが生じても、発振特性に影響が出ない構造を実現している。
即ち、第1光反射層によって反射される光が集光される領域が、電流注入によって活性層が利得を持つ領域に対応する電流注入領域に含まれない場合、キャリアから光の誘導放出が阻害され、ひいては、レーザ発振が阻害される虞がある。然るに、上式(1-1)及び(1-2)を満足することで、第1光反射層によって反射される光が集光される領域が電流注入領域に含まれることを保証することができ、レーザ発振を確実に達成することができる。
実施例11は、実施例6~実施例10の変形であり、且つ、第2構成の発光素子、具体的には、第2-A構成の発光素子に関する。実施例11の発光素子の模式的な一部端面図を図20に示す。
ところで、第1電極と第2電極との間を流れる電流の流路(電流注入領域)を制御するために、電流注入領域を取り囲むように電流非注入領域を形成する。GaAs系面発光レーザ素子(GaAs系化合物半導体から構成された面発光レーザ素子)においては、活性層をXY平面に沿って外側から酸化することで電流注入領域を取り囲む電流非注入領域を形成することができる。酸化された活性層の領域(電流非注入領域)は、酸化されない領域(電流注入領域)に比べて屈折率が低下する。その結果、共振器の光路長(屈折率と物理的な距離の積で表される)は、電流注入領域よりも電流非注入領域の方が短くなる。そして、これによって、一種の「レンズ効果」が生じ、面発光レーザ素子の中心部にレーザ光を閉じ込める作用をもたらす。一般に、光は回折効果に起因して広がろうとするため、共振器を往復するレーザ光は、次第に、共振器外へと散逸してしまい(回折損失)、閾値電流の増加等の悪影響が生じる。しかしながら、レンズ効果は、この回折損失を補償するので、閾値電流の増加等を抑制することができる。
然るに、GaN系化合物半導体から構成された発光素子においては、材料の特性上、活性層をXY平面に沿って外部から(横方向から)酸化することが難しい。それ故、実施例6~実施例10において説明したとおり、第2化合物半導体層22上に開口25を有するSiO2から成る絶縁層24を形成し、開口25の底部に露出した第2化合物半導体層22から絶縁層24上に亙り透明導電性材料から成る第2電極32を形成し、第2電極32上に、中間層70及び第2光反射層42を形成する。このように、絶縁層24を形成することで電流非注入領域61Bが形成される。そして、絶縁層24に設けられた開口25内に位置する第2化合物半導体層22の部分が電流注入領域61Aとなる。
第2化合物半導体層22上に絶縁層24を形成した場合、絶縁層24が形成された領域(電流非注入領域61B)における共振器長は、絶縁層24が形成されていない領域(電流注入領域61A)における共振器長よりも、絶縁層24の光学的厚さ分だけ長くなる。それ故、面発光レーザ素子(発光素子)の2つの光反射層41,42によって形成される共振器を往復するレーザ光が共振器外へと発散・散逸する作用が生じてしまう。このような作用を、便宜上、『逆レンズ効果』と呼ぶ。そして、その結果、レーザ光に発振モードロスが生じ、閾値電流が増加したり、スロープ効率が悪化する虞が生じる。ここで、『発振モードロス』とは、発振するレーザ光における基本モード及び高次モードの光場強度に増減を与える物理量であり、個々のモードに対して異なる発振モードロスが定義される。尚、『光場強度』は、XY平面におけるZ軸からの距離Lを関数とした光場強度であり、一般に、基本モードにおいては距離Lが増加するに従い単調に減少するが、高次モードにおいては距離Lが増加するに従い増減を一度若しくは複数繰り返しながら減少に至る(図22の(A)の概念図を参照)。尚、図22において、実線は基本モードの光場強度分布、破線は高次モードの光場強度分布を示す。また、図22において、第1光反射層41を、便宜上、平坦状態で表示しているが、実際には凹面鏡部を有する。
実施例11の発光素子あるいは後述する実施例12~実施例15の発光素子は、
(A)第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
第1化合物半導体層21の第2面21bと面する活性層(発光層)23、及び、
活性層23と面する第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有する第2化合物半導体層22、
が積層された、GaN系化合物半導体から成る発光構造体20、
(B)第2化合物半導体層22の第2面22b上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域55を構成するモードロス作用部位(モードロス作用層)54、
(C)第2化合物半導体層22の第2面22bの上からモードロス作用部位54の上に亙り形成された第2電極32、
(D)第2電極32の上に形成された中間層70及び第2光反射層42、
(E)第1化合物半導体層21の第1面21a側に設けられた第1光反射層41、並びに、
(F)第1化合物半導体層21に電気的に接続された第1電極31、
を備えている。
(A)第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
第1化合物半導体層21の第2面21bと面する活性層(発光層)23、及び、
活性層23と面する第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有する第2化合物半導体層22、
が積層された、GaN系化合物半導体から成る発光構造体20、
(B)第2化合物半導体層22の第2面22b上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域55を構成するモードロス作用部位(モードロス作用層)54、
(C)第2化合物半導体層22の第2面22bの上からモードロス作用部位54の上に亙り形成された第2電極32、
(D)第2電極32の上に形成された中間層70及び第2光反射層42、
(E)第1化合物半導体層21の第1面21a側に設けられた第1光反射層41、並びに、
(F)第1化合物半導体層21に電気的に接続された第1電極31、
を備えている。
そして、発光構造体20には、電流注入領域51、電流注入領域51を取り囲む電流非注入・内側領域52、及び、電流非注入・内側領域52を取り囲む電流非注入・外側領域53が形成されており、モードロス作用領域55の正射影像と電流非注入・外側領域53の正射影像とは重なり合っている。即ち、電流非注入・外側領域53はモードロス作用領域55の下方に位置している。尚、電流が注入される電流注入領域51から充分に離れた領域においては、モードロス作用領域55の正射影像と電流非注入・外側領域53の正射影像とは重なり合っていなくともよい。ここで、発光構造体20には、電流が注入されない電流非注入領域52,53が形成されているが、図示した例では、厚さ方向、第2化合物半導体層22から第1化合物半導体層21の一部に亙り形成されている。但し、電流非注入領域52,53は、厚さ方向、第2化合物半導体層22の第2電極側の領域に形成されていてもよいし、第2化合物半導体層22全体に形成されていてもよいし、第2化合物半導体層22及び活性層23に形成されていてもよい。
モードロス作用部位(モードロス作用層)54は、SiO2といった誘電体材料から成り、実施例11あるいは後述する実施例12~実施例15の発光素子においては、第2電極32と第2化合物半導体層22との間に形成されている。モードロス作用部位54の光学的厚さは、発振波長λ0の1/4の整数倍から外れる値とすることができる。あるいは又、モードロス作用部位54の光学的厚さt0は、発振波長λ0の1/4の整数倍とすることもできる。即ち、モードロス作用部位54の光学的厚さt0は、発光素子において生成した光の位相を乱さず、定在波を破壊しないような厚さとすることができる。但し、厳密に1/4の整数倍である必要はなく、
(λ0/4nm-loss)×m-(λ0/8nm-loss)≦t0≦(λ0/4nm-loss)×2m+(λ0/8nm-loss)
を満足すればよい。具体的には、モードロス作用部位54の光学的厚さt0は、発光素子において生成した光の波長の1/4の値を「100」としたとき、25乃至250程度とすることが好ましい。そして、これらの構成を採用することで、モードロス作用部位54を通過するレーザ光と、電流注入領域51を通過するレーザ光との間の位相差を変える(位相差を制御する)ことができ、発振モードロスの制御を一層高い自由度をもって行うことができるし、発光素子の設計自由度を一層高くすることができる。
(λ0/4nm-loss)×m-(λ0/8nm-loss)≦t0≦(λ0/4nm-loss)×2m+(λ0/8nm-loss)
を満足すればよい。具体的には、モードロス作用部位54の光学的厚さt0は、発光素子において生成した光の波長の1/4の値を「100」としたとき、25乃至250程度とすることが好ましい。そして、これらの構成を採用することで、モードロス作用部位54を通過するレーザ光と、電流注入領域51を通過するレーザ光との間の位相差を変える(位相差を制御する)ことができ、発振モードロスの制御を一層高い自由度をもって行うことができるし、発光素子の設計自由度を一層高くすることができる。
実施例11において、電流注入領域51と電流非注入・内側領域52との境界の形状を円形(直径:8μm)とし、電流非注入・内側領域52と電流非注入・外側領域53との境界の形状を円形(直径:12μm)とした。即ち、電流注入領域51の正射影像の面積をS1、電流非注入・内側領域52の正射影像の面積をS2としたとき、
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する。具体的には、
S1/(S1+S2)=82/122=0.44
である。
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する。具体的には、
S1/(S1+S2)=82/122=0.44
である。
実施例11あるいは後述する実施例12~実施例13、実施例15の発光素子において、電流注入領域51における活性層23から第2化合物半導体層22の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域55における活性層23からモードロス作用部位54の頂面(第2電極32と対向する面)までの光学的距離をL0としたとき、
L0>L2
を満足する。具体的には、
L0/L2=1.5
とした。そして、生成した高次モードを有するレーザ光は、モードロス作用領域55により、第1光反射層41と第2光反射層42とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域55の存在によって、モードロス作用領域55の正射影像内において、Z軸から離れるほど、減少するが(図22の(B)の概念図を参照)、基本モードの光場強度の減少よりも高次モードの光場強度の減少の方が多く、基本モードを一層安定化させることができるし、閾値電流の低下を図ることができるし、基本モードの相対的な光場強度を増加させることができる。しかも、高次モードの光場強度の裾の部分は、電流注入領域から、従来の発光素子(図22の(A)参照)よりも一層遠くに位置するので、逆レンズ効果の影響の低減を図ることができる。尚、そもそも、SiO2から成るモードロス作用部位54を設けない場合、発振モード混在が発生してしまう。
L0>L2
を満足する。具体的には、
L0/L2=1.5
とした。そして、生成した高次モードを有するレーザ光は、モードロス作用領域55により、第1光反射層41と第2光反射層42とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域55の存在によって、モードロス作用領域55の正射影像内において、Z軸から離れるほど、減少するが(図22の(B)の概念図を参照)、基本モードの光場強度の減少よりも高次モードの光場強度の減少の方が多く、基本モードを一層安定化させることができるし、閾値電流の低下を図ることができるし、基本モードの相対的な光場強度を増加させることができる。しかも、高次モードの光場強度の裾の部分は、電流注入領域から、従来の発光素子(図22の(A)参照)よりも一層遠くに位置するので、逆レンズ効果の影響の低減を図ることができる。尚、そもそも、SiO2から成るモードロス作用部位54を設けない場合、発振モード混在が発生してしまう。
第1化合物半導体層21はn-GaN層から成り、活性層23はIn0.04Ga0.96N層(障壁層)とIn0.16Ga0.84N層(井戸層)とが積層された5重の多重量子井戸構造から成り、第2化合物半導体層22はp-GaN層から成る。また、第1電極31はTi/Pt/Auから成り、第2電極32は、透明導電性材料、具体的には、ITOから成る。モードロス作用部位54には円形の開口部54Aが形成されており、この開口部54Aの底部に第2化合物半導体層22が露出している。第1電極31の縁部の上には、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するための、例えばTi/Pt/Au又はV/Pt/Auから成るパッド電極(図示せず)が形成あるいは接続されている。第2電極32の縁部の上には、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するための、例えばTi/Pd/Au又はTi/Ni/Auから成るパッド電極33が形成あるいは接続されている。第1光反射層41及び第2光反射層42は、SiN層とSiO2層の積層構造(誘電体膜の積層総数:20層)から成る。
実施例11の発光素子において、電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53は、発光構造体20へのイオン注入によって形成される。イオン種として、例えば、ボロンを選択したが、ボロンイオンに限定するものではない。
以下、実施例11の発光素子の製造方法の概要を説明する。
[工程-1100]
実施例11の発光素子の製造にあっては、先ず、実施例6の[工程-600]と同様の工程を実行する。
実施例11の発光素子の製造にあっては、先ず、実施例6の[工程-600]と同様の工程を実行する。
[工程-1110]
次いで、ボロンイオンを用いたイオン注入法に基づき、電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53を発光構造体20に形成する。
次いで、ボロンイオンを用いたイオン注入法に基づき、電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53を発光構造体20に形成する。
[工程-1120]
その後、実施例6の[工程-610]と同様の工程において、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、周知の方法に基づき、開口部54Aを有し、SiO2から成るモードロス作用部位(モードロス作用層)54を形成する(図21A参照)。
その後、実施例6の[工程-610]と同様の工程において、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、周知の方法に基づき、開口部54Aを有し、SiO2から成るモードロス作用部位(モードロス作用層)54を形成する(図21A参照)。
[工程-1130]
その後、実施例6の[工程-620]~[工程-660]と同様の工程を実行することで、実施例11の発光素子を得ることができる。尚、[工程-620]と同様の工程の途中において得られた構造を図21Bに示す。
その後、実施例6の[工程-620]~[工程-660]と同様の工程を実行することで、実施例11の発光素子を得ることができる。尚、[工程-620]と同様の工程の途中において得られた構造を図21Bに示す。
実施例11の発光素子において、発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている。即ち、電流注入領域とモードロス作用領域とは、電流非注入・内側領域によって隔てられている(切り離されている)。それ故、概念図を図22の(B)に示すように、発振モードロスの増減(具体的には、実施例11にあっては増加)を所望の状態とすることが可能となる。あるいは又、電流注入領域とモードロス作用領域との位置関係、モードロス作用領域を構成するモードロス作用部位の厚さ等を、適宜、決定することで、発振モードロスの増減を所望の状態とすることが可能となる。そして、その結果、例えば、閾値電流が増加したり、スロープ効率が悪化するといった従来の発光素子における問題を解決することができる。例えば、基本モードにおける発振モードロスを減少させることによって、閾値電流の低下を図ることができる。しかも、発振モードロスが与えられる領域と電流が注入され発光に寄与する領域とを独立して制御することができるので、即ち、発振モードロスの制御と発光素子の発光状態の制御とを独立して行うことができるので、制御の自由度、発光素子の設計自由度を高くすることができる。具体的には、電流注入領域、電流非注入領域及びモードロス作用領域を上記の所定の配置関係とすることで、基本モードとより高次のモードに対してモードロス作用領域が与える発振モードロスの大小関係を制御することができ、高次モードに与える発振モードロスを基本モードに与える発振モードロスに対して相対的に大きくすることで、基本モードを一層安定化させることができる。しかも、実施例11の発光素子にあっては凹面鏡部43を有するので、回折損失の発生を一層確実に抑制することができる。
実施例12は、実施例11の変形であり、第2-B構成の発光素子に関する。模式的な一部断面図を図23に示すように、実施例12の発光素子において、電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53は、第2化合物半導体層22の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層22の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層22の第2面への反応性イオンエッチング(RIE)処理によって形成される。そして、このように電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53はプラズマ粒子(具体的には、アルゴン、酸素、窒素等)に晒されるので、第2化合物半導体層22の導電性に劣化が生じ、電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53は高抵抗状態となる。即ち、電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53は、第2化合物半導体層22の第2面22bのプラズマ粒子への暴露によって形成される。尚、図23、図24、図25、図26においては、第1光反射層41の図示を省略した。
実施例12においても、電流注入領域51と電流非注入・内側領域52との境界の形状を円形(直径:10μm)とし、電流非注入・内側領域52と電流非注入・外側領域53との境界の形状を円形(直径:15μm)とした。即ち、電流注入領域51の正射影像の面積をS1、電流非注入・内側領域52の正射影像の面積をS2としたとき、
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する。具体的には、
S1/(S1+S2)=102/152=0.44
である。
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する。具体的には、
S1/(S1+S2)=102/152=0.44
である。
実施例12にあっては、実施例11の[工程-1110]の代わりに、第2化合物半導体層22の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層22の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層22の第2面への反応性イオンエッチング処理に基づき、電流非注入・内側領域52及び電流非注入・外側領域53を発光構造体20に形成すればよい。
以上の点を除き、実施例12の発光素子の構成、構造は、実施例11の発光素子と構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例12あるいは後述する実施例13の発光素子にあっても、電流注入領域、電流非注入領域及びモードロス作用領域を前述した所定の配置関係とすることで、基本モードとより高次のモードに対してモードロス作用領域が与える発振モードロスの大小関係を制御することができ、高次モードに与える発振モードロスを基本モードに与える発振モードロスに対して相対的に大きくすることで、基本モードを一層安定化させることができる。
実施例13は、実施例11~実施例12の変形であり、第2-C構成の発光素子に関する。模式的な一部断面図を図24に示すように、実施例13の発光素子において、第2光反射層42は、第1光反射層41からの光を、第1光反射層41と第2光反射層42とによって構成される共振器構造の外側に向かって(即ち、モードロス作用領域55に向かって)反射あるいは散乱する領域を有する。具体的には、モードロス作用部位(モードロス作用層)54の側壁(開口部54Bの側壁)の上方に位置する第2光反射層42の部分は、順テーパー状の傾斜部42Aを有し、あるいは又、第1光反射層41に向かって凸状に湾曲した領域を有する。
実施例13において、電流注入領域51と電流非注入・内側領域52との境界の形状を円形(直径:8μm)とし、電流非注入・内側領域52と電流非注入・外側領域53との境界の形状を円形(直径:10μm乃至20μm)とした。
実施例13にあっては、実施例11の[工程-1120]と同様の工程において、開口部54Bを有し、SiO2から成るモードロス作用部位(モードロス作用層)54を形成するとき、順テーパー状の側壁を有する開口部54Bを形成すればよい。具体的には、第2化合物半導体層22の第2面22b上に形成されたモードロス作用層の上にレジスト層を形成し、開口部54Bを形成すべきレジスト層の部分に、フォトリソグラフィ技術に基づき開口領域を設ける。周知の方法に基づき、この開口領域の側壁を順テーパー状とする。そして、エッチバックを行うことで、モードロス作用部位(モードロス作用層)54に順テーパー状の側壁を有する開口部54Bを形成することができる。更には、このようなモードロス作用部位(モードロス作用層)54の上に、第2電極32、中間層70、第2光反射層42を形成することで、第2光反射層42に順テーパー状の傾斜部42Aを付与することができる。
以上の点を除き、実施例13の発光素子の構成、構造は、実施例11~実施例12の発光素子と構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例14は、実施例11~実施例13の変形であり、第2-D構成の発光素子に関する。実施例14の発光素子の模式的な一部断面図を図25に示し、要部を切り出した模式的な一部断面図を図26に示すように、第2化合物半導体層22の第2面22b側には凸部22Aが形成されている。そして、図25及び図26に示すように、モードロス作用部位(モードロス作用層)54は、凸部22Aを囲む第2化合物半導体層22の第2面22bの領域22Bの上に形成されている。凸部22Aは、電流注入領域51、電流注入領域51及び電流非注入・内側領域52を占めている。モードロス作用部位(モードロス作用層)54は、実施例11と同様に、例えば、SiO2といった誘電体材料から成る。領域22Bには、電流非注入・外側領域53が設けられている。電流注入領域51における活性層23から第2化合物半導体層22の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域55における活性層23からモードロス作用部位54の頂面(第2電極32と対向する面)までの光学的距離をL0としたとき、
L0<L2
を満足する。具体的には、
L2/L0=1.5
とした。これによって、発光素子にはレンズ効果が生じる。
L0<L2
を満足する。具体的には、
L2/L0=1.5
とした。これによって、発光素子にはレンズ効果が生じる。
実施例14の発光素子にあっては、生成した高次モードを有するレーザ光は、モードロス作用領域55により、電流注入領域51及び電流非注入・内側領域52に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域55の存在によって、電流注入領域51及び電流非注入・内側領域52の正射影像内において増加する。
実施例14において、電流注入領域51と電流非注入・内側領域52との境界の形状を円形(直径:8μm)とし、電流非注入・内側領域52と電流非注入・外側領域53との境界の形状を円形(直径:30μm)とした。
実施例14にあっては、実施例11の[工程-1110]と[工程-1120]との間において、第2化合物半導体層22の一部を第2面22b側から除去することで、凸部22Aを形成すればよい。
以上の点を除き、実施例14の発光素子の構成、構造は、実施例11の発光素子と構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。実施例14の発光素子にあっては、種々のモードに対してモードロス作用領域が与える発振モードロスを抑制し、横モードを多モード発振させるのみならず、レーザ発振の閾値を低減することができる。また、概念図を図22の(C)に示すように、生じる基本モード及び高次モードの光場強度を、発振モードロスの増減(具体的には、実施例14にあっては、減少)に作用するモードロス作用領域の存在によって、電流注入領域及び電流非注入・内側領域の正射影像内において増加させることができる。
実施例15は、実施例11~実施例14の変形である。実施例15あるいは後述する実施例16の発光素子は、より具体的には、第1化合物半導体層21の頂面から第1光反射層41を介してレーザ光を出射する面発光レーザ素子(発光素子)(垂直共振器レーザ、VCSEL)から成る。
実施例15の発光素子にあっては、模式的な一部断面図を図27に示すように、第2光反射層42は、金(Au)層あるいは錫(Sn)を含む半田層から成る接合層48を介して、シリコン半導体基板から構成された支持基板49に半田接合法に基づき固定されている。実施例15の発光素子の製造にあっては、支持基板49の除去を除き、即ち、支持基板49を除去すること無く、例えば、実施例11の[工程-1100]~[工程-1130]と同様の工程を実行すればよい。
実施例15の発光素子にあっても、電流注入領域、電流非注入領域及びモードロス作用領域を前述した所定の配置関係とすることで、基本モードとより高次のモードに対してモードロス作用領域が与える発振モードロスの大小関係を制御することができ、高次モードに与える発振モードロスを基本モードに与える発振モードロスに対して相対的に大きくすることで、基本モードを一層安定化させることができる。
以上に説明し、図27に示した発光素子の例では、第1電極31の端部は第1光反射層41から離間している。即ち、第1光反射層41と第1電極31とは離間しており、云い換えれば、オフセットを有しており、離間距離は1mm以内、具体的には、例えば、平均0.05mmである。但し、このような構造に限定するものではなく、第1電極31の端部が第1光反射層41と接していてもよいし、第1電極31の端部が第1光反射層41の縁部の上に亙り形成されていてもよい。
また、例えば、実施例11の[工程-1100]~[工程-1130]と同様の工程を実行した後、発光素子製造用基板11を除去して第1化合物半導体層21の第1面21aを露出させ、次いで、第1化合物半導体層21の第1面21a上に第1光反射層41、第1電極31を形成してもよい。また、第1化合物半導体層21の第1面21a上に第1光反射層41を形成する際、第1化合物半導体層21をエッチングして、第1化合物半導体層21の第1面21aに凹みを形成し、この凹みに第1光反射層41を形成してもよい。そして、この場合、凹みの側壁を順テーパー状とすれば、第2-C構成の発光素子を得ることができる。即ち、第1光反射層41は、第2光反射層42からの光を、第1光反射層41と第2光反射層42とによって構成される共振器構造の外側に向かって反射あるいは散乱する領域(傾斜部)を有する。
実施例16は、実施例6~実施例10の変形であるが、第3構成の発光素子、具体的には、第3-A構成の発光素子に関する。実施例16の発光素子は、より具体的には、第1化合物半導体層21の頂面から第1光反射層41を介してレーザ光を出射する面発光レーザ素子(発光素子)(垂直共振器レーザ、VCSEL)から成る。
模式的な一部端面図を図28に示す実施例16の発光素子は、
(a)GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層(発光層)23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る発光構造体20、
(b)第2化合物半導体層22の第2面22b上に形成された第2電極32、
(c)中間層を介して第2電極32上に形成された第2光反射層42、
(d)第1化合物半導体層21の第1面21a上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域65を構成するモードロス作用部位64、
(e)第1化合物半導体層21の第1面21aの上からモードロス作用部位64の上に亙り形成された第1光反射層41、並びに、
(f)第1化合物半導体層21に電気的に接続された第1電極31、
を備えている。尚、実施例16の発光素子において、第1電極31は、第1化合物半導体層21の第1面21aの上に形成されている。
(a)GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層(発光層)23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る発光構造体20、
(b)第2化合物半導体層22の第2面22b上に形成された第2電極32、
(c)中間層を介して第2電極32上に形成された第2光反射層42、
(d)第1化合物半導体層21の第1面21a上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域65を構成するモードロス作用部位64、
(e)第1化合物半導体層21の第1面21aの上からモードロス作用部位64の上に亙り形成された第1光反射層41、並びに、
(f)第1化合物半導体層21に電気的に接続された第1電極31、
を備えている。尚、実施例16の発光素子において、第1電極31は、第1化合物半導体層21の第1面21aの上に形成されている。
そして、発光構造体20には、電流注入領域61、電流注入領域61を取り囲む電流非注入・内側領域62、及び、電流非注入・内側領域62を取り囲む電流非注入・外側領域63が形成されており、モードロス作用領域65の正射影像と電流非注入・外側領域63の正射影像とは重なり合っている。ここで、発光構造体20には電流非注入領域62,63が形成されているが、図示した例では、厚さ方向、第2化合物半導体層22から第1化合物半導体層21の一部に亙り形成されている。但し、電流非注入領域62,63は、厚さ方向、第2化合物半導体層22の第2電極側の領域に形成されていてもよいし、第2化合物半導体層22全体に形成されていてもよいし、第2化合物半導体層22及び活性層23に形成されていてもよい。
発光構造体20、パッド電極33、第1光反射層41、中間層70及び第2光反射層42の構成は、実施例11と同様とすることができるし、接合層48及び支持基板49の構成は、実施例15と同様とすることができる。モードロス作用部位64には円形の開口部64Aが形成されており、この開口部64Aの底部に第1化合物半導体層21の第1面21aが露出している。
モードロス作用部位(モードロス作用層)64は、SiO2といった誘電体材料から成り、第1化合物半導体層21の第1面21a上に形成されている。モードロス作用部位64の光学的厚さt0は、発振波長λ0の1/4の整数倍から外れる値とすることができる。あるいは又、モードロス作用部位64の光学的厚さt0は、発振波長λ0の1/4の整数倍とすることもできる。即ち、モードロス作用部位64の光学的厚さt0は、発光素子において生成した光の位相を乱さず、定在波を破壊しないような厚さとすることができる。但し、厳密に1/4の整数倍である必要はなく、
(λ0/4nm-loss)×m-(λ0/8nm-loss)≦t0≦(λ0/4nm-loss)×2m+(λ0/8nm-loss)
を満足すればよい。具体的には、モードロス作用部位64の光学的厚さt0は、発振波長λ0の1/4の値を「100」としたとき、25乃至250程度とすることが好ましい。そして、これらの構成を採用することで、モードロス作用部位64を通過するレーザ光と、電流注入領域61を通過するレーザ光との間の位相差を変える(位相差を制御する)ことができ、発振モードロスの制御を一層高い自由度をもって行うことができるし、発光素子の設計自由度を一層高くすることができる。
(λ0/4nm-loss)×m-(λ0/8nm-loss)≦t0≦(λ0/4nm-loss)×2m+(λ0/8nm-loss)
を満足すればよい。具体的には、モードロス作用部位64の光学的厚さt0は、発振波長λ0の1/4の値を「100」としたとき、25乃至250程度とすることが好ましい。そして、これらの構成を採用することで、モードロス作用部位64を通過するレーザ光と、電流注入領域61を通過するレーザ光との間の位相差を変える(位相差を制御する)ことができ、発振モードロスの制御を一層高い自由度をもって行うことができるし、発光素子の設計自由度を一層高くすることができる。
実施例16において、電流注入領域61と電流非注入・内側領域62との境界の形状を円形(直径:8μm)とし、電流非注入・内側領域62と電流非注入・外側領域63との境界の形状を円形(直径:15μm)とした。即ち、電流注入領域61の正射影像の面積をS1’、電流非注入・内側領域62の正射影像の面積をS2’としたとき、
0.01≦S1’/(S1’+S2’)≦0.7
を満足する。具体的には、
S1’/(S1’+S2’)=82/152=0.28
である。
0.01≦S1’/(S1’+S2’)≦0.7
を満足する。具体的には、
S1’/(S1’+S2’)=82/152=0.28
である。
実施例16の発光素子において、電流注入領域61における活性層23から第1化合物半導体層21の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域65における活性層23からモードロス作用部位64の頂面(第1電極31と対向する面)までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’>L1’
を満足する。具体的には、
L0’/L1’=1.01
とした。そして、生成した高次モードを有するレーザ光は、モードロス作用領域65により、第1光反射層41と第2光反射層42とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域65の存在によって、モードロス作用領域65の正射影像内において、Z軸から離れるほど、減少するが(図22の(B)の概念図を参照)、基本モードの光場強度の減少よりも高次モードの光場強度の減少の方が多く、基本モードを一層安定化させることができるし、閾値電流の低下を図ることができるし、基本モードの相対的な光場強度を増加させることができる。
L0’>L1’
を満足する。具体的には、
L0’/L1’=1.01
とした。そして、生成した高次モードを有するレーザ光は、モードロス作用領域65により、第1光反射層41と第2光反射層42とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域65の存在によって、モードロス作用領域65の正射影像内において、Z軸から離れるほど、減少するが(図22の(B)の概念図を参照)、基本モードの光場強度の減少よりも高次モードの光場強度の減少の方が多く、基本モードを一層安定化させることができるし、閾値電流の低下を図ることができるし、基本モードの相対的な光場強度を増加させることができる。
実施例16の発光素子において、電流非注入・内側領域62及び電流非注入・外側領域63は、実施例11と同様に、発光構造体20へのイオン注入によって形成される。イオン種として、例えば、ボロンを選択したが、ボロンイオンに限定するものではない。
以下、実施例16の発光素子の製造方法を説明する。
[工程-1600]
先ず、実施例11の[工程-1100]と同様の工程を実行することで、発光構造体20を得ることができる。次いで、実施例11の[工程-1110]と同様の工程を実行することで、電流非注入・内側領域62及び電流非注入・外側領域63を発光構造体20に形成することができる。
先ず、実施例11の[工程-1100]と同様の工程を実行することで、発光構造体20を得ることができる。次いで、実施例11の[工程-1110]と同様の工程を実行することで、電流非注入・内側領域62及び電流非注入・外側領域63を発光構造体20に形成することができる。
[工程-1610]
次いで、第2化合物半導体層22の第2面22bの上に、例えば、リフトオフ法に基づき第2電極32を形成し、更に、周知の方法に基づきパッド電極33を形成する。その後、第2電極32の上からパッド電極33の上に亙り、周知の方法に基づき中間層70及び第2光反射層42を形成する。
次いで、第2化合物半導体層22の第2面22bの上に、例えば、リフトオフ法に基づき第2電極32を形成し、更に、周知の方法に基づきパッド電極33を形成する。その後、第2電極32の上からパッド電極33の上に亙り、周知の方法に基づき中間層70及び第2光反射層42を形成する。
[工程-1620]
その後、第2光反射層42を、接合層48を介して支持基板49に固定する。
その後、第2光反射層42を、接合層48を介して支持基板49に固定する。
[工程-1630]
次いで、発光素子製造用基板11を除去して、第1化合物半導体層21の第1面21aを露出させる。具体的には、先ず、機械研磨法に基づき、発光素子製造用基板11の厚さを薄くし、次いで、CMP法に基づき、発光素子製造用基板11の残部を除去する。こうして、第1化合物半導体層21の第1面21aを露出させる。
次いで、発光素子製造用基板11を除去して、第1化合物半導体層21の第1面21aを露出させる。具体的には、先ず、機械研磨法に基づき、発光素子製造用基板11の厚さを薄くし、次いで、CMP法に基づき、発光素子製造用基板11の残部を除去する。こうして、第1化合物半導体層21の第1面21aを露出させる。
[工程-1640]
その後、第1化合物半導体層21の第1面21a上に、周知の方法に基づき、開口部64Aを有し、SiO2から成るモードロス作用部位(モードロス作用層)64を形成する。
その後、第1化合物半導体層21の第1面21a上に、周知の方法に基づき、開口部64Aを有し、SiO2から成るモードロス作用部位(モードロス作用層)64を形成する。
[工程-1650]
次に、モードロス作用部位64の開口部64Aの底部に露出した第1化合物半導体層21の第1面21aに基部45F及び多層光反射膜46から成る凹面鏡部43から構成された第1光反射層41を形成し、更に、第1電極31を形成する。こうして、図28に示した構造を有する実施例16の発光素子を得ることができる。
次に、モードロス作用部位64の開口部64Aの底部に露出した第1化合物半導体層21の第1面21aに基部45F及び多層光反射膜46から成る凹面鏡部43から構成された第1光反射層41を形成し、更に、第1電極31を形成する。こうして、図28に示した構造を有する実施例16の発光素子を得ることができる。
[工程-1660]
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を、例えば、SiO2から成る絶縁膜で被覆する。そして、パッケージや封止することで、実施例16の発光素子を完成させる。
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体あるいは発光構造体の側面や露出面を、例えば、SiO2から成る絶縁膜で被覆する。そして、パッケージや封止することで、実施例16の発光素子を完成させる。
実施例16の発光素子にあっても、発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている。それ故、概念図を図22の(B)に示すように、発振モードロスの増減(具体的には、実施例16にあっては増加)を所望の状態とすることが可能となる。しかも、発振モードロスの制御と発光素子の発光状態の制御とを独立して行うことができるので、制御の自由度、発光素子の設計自由度を高くすることができる。具体的には、電流注入領域、電流非注入領域及びモードロス作用領域を前述した所定の配置関係とすることで、基本モードとより高次のモードに対してモードロス作用領域が与える発振モードロスの大小関係を制御することができ、高次モードに与える発振モードロスを基本モードに与える発振モードロスに対して相対的に大きくすることで、基本モードを一層安定化させることができる。また、逆レンズ効果の影響の低減を図ることもできる。しかも、尚、実施例16の発光素子にあっては凹面鏡部43を有するので、回折損失の発生を一層確実に抑制することができる。
実施例16にあっても、実施例12と同様に、電流非注入・内側領域62及び電流非注入・外側領域63を、第2化合物半導体層22の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層22の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層22の第2面への反応性イオンエッチング(RIE)処理によって形成することができる(第3-B構成の発光素子)。このように電流非注入・内側領域62及び電流非注入・外側領域63をプラズマ粒子に暴露することで、第2化合物半導体層22の導電性に劣化が生じ、電流非注入・内側領域62及び電流非注入・外側領域63は高抵抗状態となる。即ち、電流非注入・内側領域62及び電流非注入・外側領域63は、第2化合物半導体層22の第2面22bのプラズマ粒子への暴露によって形成される。
また、実施例13と同様に、第2光反射層42は、第1光反射層41からの光を、第1光反射層41と第2光反射層42とによって構成される共振器構造の外側に向かって(即ち、モードロス作用領域65に向かって)反射あるいは散乱する領域を有する構成とすることもできる(第3-C構成の発光素子)。あるいは又、実施例15と同様に、第1化合物半導体層21の第1面21a上に第1光反射層41を形成する際、第1化合物半導体層21をエッチングして、第1化合物半導体層21の第1面21aに凹部を形成し、この凹部に第1光反射層41を形成するが、凹部の側壁を順テーパー状としてもよい。
また、実施例14と同様に、第1化合物半導体層21の第1面21a側に凸部を形成し、モードロス作用部位(モードロス作用層)64を、凸部を囲む第1化合物半導体層21の第1面21aの領域の上に形成してもよい(第3-D構成の発光素子)。モードロス作用部位(モードロス作用層)64は、凸部を囲む第1化合物半導体層21の第1面21aの領域の上に形成すればよい。凸部は、電流注入領域61、電流注入領域61及び電流非注入・内側領域62を占める。そして、これによって、生成した高次モードを有するレーザ光は、モードロス作用領域65により、電流注入領域61及び電流非注入・内側領域62に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域65の存在によって、電流注入領域61及び電流非注入・内側領域62の正射影像内において増加する。このような構成の実施例16の発光素子の変形例にあっても、種々のモードに対してモードロス作用領域65が与える発振モードロスを抑制し、横モードを多モード発振させるのみならず、レーザ発振の閾値を低減することができる。また、概念図を図22の(C)に示すように、生じる基本モード及び高次モードの光場強度を、発振モードロスの増減(具体的には、実施例16の発光素子の変形例にあっては、減少)に作用するモードロス作用領域65の存在によって、電流注入領域及び電流非注入・内側領域の正射影像内において増加させることができる。
場合によっては、第1化合物半導体層21の第1面21a側に凸部(メサ構造)を形成し、凸部を囲む第1化合物半導体層21の領域をモードロス作用領域(モードロス作用部位)としてもよい。即ち、この場合には、モードロス作用層の形成を省略し、モードロス作用部位を、凸部を囲む第1化合物半導体層の領域から構成すればよい。そして、凸部の頂面に第1光反射層41を形成すればよい。凸部は、電流注入領域61、電流注入領域61及び電流非注入・内側領域62を占める。そして、これによっても、生成した高次モードを有するレーザ光は、モードロス作用領域により、電流注入領域61及び電流非注入・内側領域62に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する。即ち、生じる基本モード及び高次モードの光場強度が、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域の存在によって、電流注入領域61及び電流非注入・内側領域62の正射影像内において増加する。このような構成の実施例16の発光素子の変形例にあっても、種々のモードに対してモードロス作用領域が与える発振モードロスを抑制し、横モードを多モード発振させるのみならず、レーザ発振の閾値を低減することができる。また、概念図を図22の(C)に示すように、生じる基本モード及び高次モードの光場強度を、発振モードロスの増減(具体的には、実施例16の発光素子の変形例にあっては、減少)に作用するモードロス作用領域の存在によって、電流注入領域及び電流非注入・内側領域の正射影像内において増加させることができる。
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した発光素子の構成、構造は例示であり、適宜、変更することができるし、発光素子の製造方法も、適宜、変更することができる。場合によっては、接合層や支持基板を適切に選択することで、第2化合物半導体層の頂面から第2光反射層を介して光を出射する面発光レーザ素子とすることができる。第1光反射層及び第1電極を形成した後、支持基板を除去することで、第2化合物半導体層の頂面から第2光反射層を介して光を出射する面発光レーザ素子を完成させることもできるし、あるいは又、第1光反射層を第2の支持基板に固定し、その後、支持基板を除去して第2光反射層を露出させることで、第2化合物半導体層の頂面から第2光反射層を介して光を出射する面発光レーザ素子を完成させることもできる。
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
[A01]《発光素子》
複数の薄膜が積層されて成る第1光反射層、
発光構造体、及び、
複数の薄膜が積層されて成る第2光反射層、
が積層されて成る積層構造体を備えており、
発光構造体は、第1光反射層側から、
第1化合物半導体層、
活性層、及び、
第2化合物半導体層、
が積層されて成り、
第2化合物半導体層と第2光反射層との間には、第2化合物半導体層側から、電極及び中間層が形成されており、
電極に面する中間層の面を第1面、第2光反射層に接する中間層の面を第2面としたとき、第2面の表面粗さの値は第1面の表面粗さの値よりも小さい発光素子。
[A02]発光中心から半径20μm内の領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である[A01]に記載の発光素子。
[A03]発光強度が最大発光強度の(1/e)以上である領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である[A01]に記載の発光素子。
[A04]発光中心から半径1μm内の領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は2.0nm以下である[A01]乃至[A03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A05]中間層の光学的厚さは、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さよりも厚い[A01]乃至[A04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A06]中間層を構成する材料の屈折率をnM、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料の屈折率をn1とし、発光素子から出射される主たる光の波長をλ0としたとき、中間層は(λ0/4nM)を超える厚さを有し、中間層に接する第2光反射層の第1層目は(λ0/4n1)の厚さを有する[A05]に記載の発光素子。
[A07]中間層は(λ0/2nM)以上の厚さを有する[A06]に記載の発光素子。
[A08]中間層の光学的厚さは、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さの2倍を超える[A05]に記載の発光素子。
[A09]電極を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
0.8<n0/nM<1.2
を満足する[A01]乃至[A08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A10]0.95<n0/nM<1.05
を満足する[A09]に記載の発光素子。
[A11]電極を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
|n0-nM|≦0.1
を満足する[A01]乃至[A08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A12]中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは同じである[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A13]中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは異なり、
第2光反射層の第1層目を構成する材料と、第2光反射層の第2層目を構成する材料とは異なる[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A14]発光素子から出射される光の光場強度分布の最大振幅部分の近傍に活性層が位置しており、光場強度分布の最小振幅部分の近傍に中間層が位置している[A01]乃至[A13]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A15]平行な複数の溝部(縦筋)を表面に有する基板上に第1化合物半導体層が形成されている[A01]乃至[A14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A16]基板は、主面として{20-21}面を有するGaN基板から成る[A15]に記載の発光素子。
[B01]第1光反射層は、凹面鏡部を有し、
第2光反射層は、平坦な形状を有する[A01]乃至[A16]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B02]共振器長をLORとしたとき、1×10-5m≦LORを満足する[B01]に記載の発光素子。
[B03]積層構造体の積層方向を含む仮想平面で第1光反射層を切断したときの第1光反射層の凹面鏡部の一部の発光構造体に面する界面が描く図形は、円の一部又は放物線の一部である[B01]又は[B02]に記載の発光素子。
[C01]《第1構成の発光素子》
第2化合物半導体層には、電流注入領域及び電流注入領域を取り囲む電流非注入領域が設けられており、
電流注入領域の面積重心点から、電流注入領域と電流非注入領域の境界までの最短距離DCIは、以下の式を満足する[B01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の発光素子。
DCI≧ω0/2
但し、
ω0 2≡(λ0/π){LOR(RDBR-LOR)}1/2
ここで、
λ0 :発振波長
LOR :共振器長
RDBR:第1光反射層の凹面鏡部の曲率半径
[C02]第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている[C01]に記載の発光素子。
[C03]第1光反射層の凹面鏡部における有効領域の半径r’DBRは、
ω0≦r’DBR≦20・ω0
を満足する[C01]又は[C02]に記載の発光素子。
[C04]DCI≧ω0を満足する[C01]乃至[C03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C05]RDBR≦1×10-3mを満足する[C01]乃至[C04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D01]《第2構成の発光素子》
第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている[A01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D02]電流非注入・外側領域はモードロス作用領域の下方に位置している[D01]に記載の発光素子。
[D03]電流注入領域の射影像の面積をS1、電流非注入・内側領域の射影像の面積をS2としたとき、
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する[D01]又は[D02]に記載の発光素子。
[D04]電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、発光構造体へのイオン注入によって形成される[D01]乃至[D03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D05]イオン種は、ボロン、プロトン、リン、ヒ素、炭素、窒素、フッ素、酸素、ゲルマニウム及びシリコンから成る群から選択された少なくとも1種類のイオンである[D04]に記載の発光素子。
[D06]《第2-B構成の発光素子》
電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、第2化合物半導体層の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層の第2面への反応性イオンエッチング処理によって形成される[D01]乃至[D05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D07]《第2-C構成の発光素子》
第2光反射層は、第1光反射層からの光を、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって反射あるいは散乱する領域を有する[D01]乃至[D06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D08]電流注入領域における活性層から第2化合物半導体層の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0としたとき、
L0>L2
を満足する[D04]乃至[D07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D09]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する[D04]乃至[D08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D10]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[D04]乃至[D09]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D11]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍から外れる値である[D10]に記載の発光素子。
[D12]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍である[D10]に記載の発光素子。
[D13]《第2-D構成の発光素子》
第2化合物半導体層の第2面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第2化合物半導体層の第2面の領域上に形成されている[D01]乃至[D03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D14]電流注入領域における活性層から第2化合物半導体層の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0としたとき、
L0<L2
を満足する[D13]に記載の発光素子。
[D15]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入・内側領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する[D13]又は[D14]に記載の発光素子。
[D16]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[D13]乃至[D15]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D17]第2電極は、透明導電性材料から成る[D01]乃至[D16]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E01]《第3構成の発光素子》
第2化合物半導体層の第2面上に形成された第2電極、
中間層を介して第2電極上に形成された第2光反射層、
第1化合物半導体層の第1面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、並びに、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第1光反射層は、第1化合物半導体層の第1面上からモードロス作用部位上に亙り形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている[A01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E02]電流注入領域の射影像の面積をS1、電流非注入・内側領域の射影像の面積をS2としたとき、
0.01≦S1’/(S1’+S2’)≦0.7
を満足する[E01]に記載の発光素子。
[E03]《第3-A構成の発光素子》
電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、発光構造体へのイオン注入によって形成される[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E04]イオン種は、ボロン、プロトン、リン、ヒ素、炭素、窒素、フッ素、酸素、ゲルマニウム及びシリコンから成る群から選択された少なくとも1種類のイオンである[E03]に記載の発光素子。
[E05]《第3-B構成の発光素子》
電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、第2化合物半導体層の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層の第2面への反応性イオンエッチング処理によって形成される[E01]乃至[E04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E06]《第3-C構成の発光素子》
第2光反射層は、第1光反射層からの光を、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって反射あるいは散乱する領域を有する[E01]乃至[E05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E07]電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’>L1’
を満足する[E03]乃至[E06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E08]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する[E03]乃至[E07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E09]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[E03]乃至[E08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E10]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍から外れる値である[E09]に記載の発光素子。
[E11]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍である[E09]に記載の発光素子。
[E12]《第3-D構成の発光素子》
第1化合物半導体層の第1面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の第1面の領域上に形成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E13]電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’<L1’
を満足する[E12]に記載の発光素子。
[E14]第1化合物半導体層の第1面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の第1面の領域から構成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E15]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入・内側領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する[E12]乃至[E14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E16]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[E12]乃至[E15]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E17]第2電極は、透明導電性材料から成る[E01]乃至[E16]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F01]第1化合物半導体層の第1面と第1光反射層との間には化合物半導体基板が配されている[B01]乃至[E08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F02]化合物半導体基板はGaN基板から成る[F01]に記載の発光素子。
[F03]第1光反射層の凹面鏡部は、化合物半導体基板の突出部から成る基部、及び、少なくとも基部の一部の表面に形成された多層光反射膜から構成されている[F01]又は[F02]に記載の発光素子。
[F04]第1光反射層の凹面鏡部は、化合物半導体基板上に形成された基部、及び、少なくとも基部の一部の表面に形成された多層光反射膜から構成されている[F01]又は[F02]に記載の発光素子。
[F05]第1化合物半導体層の第1面に第1光反射層が形成されている[B01]乃至[E08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F06]発光構造体の熱伝導率の値は、第1光反射層の熱伝導率の値よりも高い[B01]乃至[F05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F07]発光素子の凹面鏡部の曲率半径をRDBRとしたとき、RDBR≦1×10-3mを満足する[B01]乃至[F06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F08]第1光反射層の周囲には凸形状部が形成されており、第1光反射層は凸形状部から突出していない[B01]乃至[F07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G01]《発光素子の製造方法》
化合物半導体基板上に、
第1面、及び、第1面と対向する第2面を有する第1化合物半導体層、
第1化合物半導体層の第2面と面する活性層、並びに、
活性層と面する第1面、及び、第1面と対向する第2面を有する第2化合物半導体層、
が積層された、GaN系化合物半導体から成る発光構造体を形成した後、
第2化合物半導体層上に第2電極、中間層及び第2光反射層を形成し、次いで、
第2光反射層を支持基板に固定した後、
化合物半導体基板を薄くし、その後、
化合物半導体基板の露出面に突出部から成る基部を形成した後、又は、化合物半導体基板の露出面の上に突出部から成る基部を形成した後、
少なくとも基部の一部の上に第1光反射層を形成し、且つ、第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極を形成する、
各工程から成り、
基部は、凹面鏡部を構成し、
第2光反射層は、平坦な形状を有する発光素子の製造方法。
[A01]《発光素子》
複数の薄膜が積層されて成る第1光反射層、
発光構造体、及び、
複数の薄膜が積層されて成る第2光反射層、
が積層されて成る積層構造体を備えており、
発光構造体は、第1光反射層側から、
第1化合物半導体層、
活性層、及び、
第2化合物半導体層、
が積層されて成り、
第2化合物半導体層と第2光反射層との間には、第2化合物半導体層側から、電極及び中間層が形成されており、
電極に面する中間層の面を第1面、第2光反射層に接する中間層の面を第2面としたとき、第2面の表面粗さの値は第1面の表面粗さの値よりも小さい発光素子。
[A02]発光中心から半径20μm内の領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である[A01]に記載の発光素子。
[A03]発光強度が最大発光強度の(1/e)以上である領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である[A01]に記載の発光素子。
[A04]発光中心から半径1μm内の領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は2.0nm以下である[A01]乃至[A03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A05]中間層の光学的厚さは、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さよりも厚い[A01]乃至[A04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A06]中間層を構成する材料の屈折率をnM、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料の屈折率をn1とし、発光素子から出射される主たる光の波長をλ0としたとき、中間層は(λ0/4nM)を超える厚さを有し、中間層に接する第2光反射層の第1層目は(λ0/4n1)の厚さを有する[A05]に記載の発光素子。
[A07]中間層は(λ0/2nM)以上の厚さを有する[A06]に記載の発光素子。
[A08]中間層の光学的厚さは、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さの2倍を超える[A05]に記載の発光素子。
[A09]電極を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
0.8<n0/nM<1.2
を満足する[A01]乃至[A08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A10]0.95<n0/nM<1.05
を満足する[A09]に記載の発光素子。
[A11]電極を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
|n0-nM|≦0.1
を満足する[A01]乃至[A08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A12]中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは同じである[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A13]中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは異なり、
第2光反射層の第1層目を構成する材料と、第2光反射層の第2層目を構成する材料とは異なる[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A14]発光素子から出射される光の光場強度分布の最大振幅部分の近傍に活性層が位置しており、光場強度分布の最小振幅部分の近傍に中間層が位置している[A01]乃至[A13]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A15]平行な複数の溝部(縦筋)を表面に有する基板上に第1化合物半導体層が形成されている[A01]乃至[A14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A16]基板は、主面として{20-21}面を有するGaN基板から成る[A15]に記載の発光素子。
[B01]第1光反射層は、凹面鏡部を有し、
第2光反射層は、平坦な形状を有する[A01]乃至[A16]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B02]共振器長をLORとしたとき、1×10-5m≦LORを満足する[B01]に記載の発光素子。
[B03]積層構造体の積層方向を含む仮想平面で第1光反射層を切断したときの第1光反射層の凹面鏡部の一部の発光構造体に面する界面が描く図形は、円の一部又は放物線の一部である[B01]又は[B02]に記載の発光素子。
[C01]《第1構成の発光素子》
第2化合物半導体層には、電流注入領域及び電流注入領域を取り囲む電流非注入領域が設けられており、
電流注入領域の面積重心点から、電流注入領域と電流非注入領域の境界までの最短距離DCIは、以下の式を満足する[B01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の発光素子。
DCI≧ω0/2
但し、
ω0 2≡(λ0/π){LOR(RDBR-LOR)}1/2
ここで、
λ0 :発振波長
LOR :共振器長
RDBR:第1光反射層の凹面鏡部の曲率半径
[C02]第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている[C01]に記載の発光素子。
[C03]第1光反射層の凹面鏡部における有効領域の半径r’DBRは、
ω0≦r’DBR≦20・ω0
を満足する[C01]又は[C02]に記載の発光素子。
[C04]DCI≧ω0を満足する[C01]乃至[C03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C05]RDBR≦1×10-3mを満足する[C01]乃至[C04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D01]《第2構成の発光素子》
第2化合物半導体層の第2面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、
第2化合物半導体層の第2面上からモードロス作用部位上に亙り形成された第2電極、及び、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第2光反射層は、中間層を介して第2電極上に形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている[A01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D02]電流非注入・外側領域はモードロス作用領域の下方に位置している[D01]に記載の発光素子。
[D03]電流注入領域の射影像の面積をS1、電流非注入・内側領域の射影像の面積をS2としたとき、
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7
を満足する[D01]又は[D02]に記載の発光素子。
[D04]電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、発光構造体へのイオン注入によって形成される[D01]乃至[D03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D05]イオン種は、ボロン、プロトン、リン、ヒ素、炭素、窒素、フッ素、酸素、ゲルマニウム及びシリコンから成る群から選択された少なくとも1種類のイオンである[D04]に記載の発光素子。
[D06]《第2-B構成の発光素子》
電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、第2化合物半導体層の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層の第2面への反応性イオンエッチング処理によって形成される[D01]乃至[D05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D07]《第2-C構成の発光素子》
第2光反射層は、第1光反射層からの光を、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって反射あるいは散乱する領域を有する[D01]乃至[D06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D08]電流注入領域における活性層から第2化合物半導体層の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0としたとき、
L0>L2
を満足する[D04]乃至[D07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D09]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する[D04]乃至[D08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D10]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[D04]乃至[D09]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D11]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍から外れる値である[D10]に記載の発光素子。
[D12]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍である[D10]に記載の発光素子。
[D13]《第2-D構成の発光素子》
第2化合物半導体層の第2面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第2化合物半導体層の第2面の領域上に形成されている[D01]乃至[D03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D14]電流注入領域における活性層から第2化合物半導体層の第2面までの光学的距離をL2、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0としたとき、
L0<L2
を満足する[D13]に記載の発光素子。
[D15]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入・内側領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する[D13]又は[D14]に記載の発光素子。
[D16]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[D13]乃至[D15]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D17]第2電極は、透明導電性材料から成る[D01]乃至[D16]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E01]《第3構成の発光素子》
第2化合物半導体層の第2面上に形成された第2電極、
中間層を介して第2電極上に形成された第2光反射層、
第1化合物半導体層の第1面上に設けられ、発振モードロスの増減に作用するモードロス作用領域を構成するモードロス作用部位、並びに、
第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を更に備えており、
第1光反射層は、第1化合物半導体層の第1面上からモードロス作用部位上に亙り形成されており、
発光構造体には、電流注入領域、電流注入領域を取り囲む電流非注入・内側領域、及び、電流非注入・内側領域を取り囲む電流非注入・外側領域が形成されており、
モードロス作用領域の正射影像と電流非注入・外側領域の正射影像とは重なり合っている[A01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E02]電流注入領域の射影像の面積をS1、電流非注入・内側領域の射影像の面積をS2としたとき、
0.01≦S1’/(S1’+S2’)≦0.7
を満足する[E01]に記載の発光素子。
[E03]《第3-A構成の発光素子》
電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、発光構造体へのイオン注入によって形成される[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E04]イオン種は、ボロン、プロトン、リン、ヒ素、炭素、窒素、フッ素、酸素、ゲルマニウム及びシリコンから成る群から選択された少なくとも1種類のイオンである[E03]に記載の発光素子。
[E05]《第3-B構成の発光素子》
電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、第2化合物半導体層の第2面へのプラズマ照射、又は、第2化合物半導体層の第2面へのアッシング処理、又は、第2化合物半導体層の第2面への反応性イオンエッチング処理によって形成される[E01]乃至[E04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E06]《第3-C構成の発光素子》
第2光反射層は、第1光反射層からの光を、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって反射あるいは散乱する領域を有する[E01]乃至[E05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E07]電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’>L1’
を満足する[E03]乃至[E06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E08]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、第1光反射層と第2光反射層とによって構成される共振器構造の外側に向かって散逸させられ、以て、発振モードロスが増加する[E03]乃至[E07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E09]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[E03]乃至[E08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E10]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍から外れる値である[E09]に記載の発光素子。
[E11]モードロス作用部位は誘電体材料から成り、
モードロス作用部位の光学的厚さは、発光素子において生成した光の波長の1/4の整数倍である[E09]に記載の発光素子。
[E12]《第3-D構成の発光素子》
第1化合物半導体層の第1面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の第1面の領域上に形成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E13]電流注入領域における活性層から第1化合物半導体層の第1面までの光学的距離をL1’、モードロス作用領域における活性層からモードロス作用部位の頂面までの光学的距離をL0’としたとき、
L0’<L1’
を満足する[E12]に記載の発光素子。
[E14]第1化合物半導体層の第1面側には凸部が形成されており、
モードロス作用部位は、凸部を囲む第1化合物半導体層の第1面の領域から構成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E15]生成した高次モードを有する光は、モードロス作用領域により、電流注入領域及び電流非注入・内側領域に閉じ込められ、以て、発振モードロスが減少する[E12]乃至[E14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E16]モードロス作用部位は、誘電体材料、金属材料又は合金材料から成る[E12]乃至[E15]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E17]第2電極は、透明導電性材料から成る[E01]乃至[E16]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F01]第1化合物半導体層の第1面と第1光反射層との間には化合物半導体基板が配されている[B01]乃至[E08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F02]化合物半導体基板はGaN基板から成る[F01]に記載の発光素子。
[F03]第1光反射層の凹面鏡部は、化合物半導体基板の突出部から成る基部、及び、少なくとも基部の一部の表面に形成された多層光反射膜から構成されている[F01]又は[F02]に記載の発光素子。
[F04]第1光反射層の凹面鏡部は、化合物半導体基板上に形成された基部、及び、少なくとも基部の一部の表面に形成された多層光反射膜から構成されている[F01]又は[F02]に記載の発光素子。
[F05]第1化合物半導体層の第1面に第1光反射層が形成されている[B01]乃至[E08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F06]発光構造体の熱伝導率の値は、第1光反射層の熱伝導率の値よりも高い[B01]乃至[F05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F07]発光素子の凹面鏡部の曲率半径をRDBRとしたとき、RDBR≦1×10-3mを満足する[B01]乃至[F06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F08]第1光反射層の周囲には凸形状部が形成されており、第1光反射層は凸形状部から突出していない[B01]乃至[F07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G01]《発光素子の製造方法》
化合物半導体基板上に、
第1面、及び、第1面と対向する第2面を有する第1化合物半導体層、
第1化合物半導体層の第2面と面する活性層、並びに、
活性層と面する第1面、及び、第1面と対向する第2面を有する第2化合物半導体層、
が積層された、GaN系化合物半導体から成る発光構造体を形成した後、
第2化合物半導体層上に第2電極、中間層及び第2光反射層を形成し、次いで、
第2光反射層を支持基板に固定した後、
化合物半導体基板を薄くし、その後、
化合物半導体基板の露出面に突出部から成る基部を形成した後、又は、化合物半導体基板の露出面の上に突出部から成る基部を形成した後、
少なくとも基部の一部の上に第1光反射層を形成し、且つ、第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極を形成する、
各工程から成り、
基部は、凹面鏡部を構成し、
第2光反射層は、平坦な形状を有する発光素子の製造方法。
11・・・化合物半導体基板(発光素子製造用基板、GaN基板)、11a・・・第1化合物半導体層と面する化合物半導体基板(発光素子製造用基板)の第1面、11a’・・・化合物半導体基板の第1面の突出部、11a”・・・凹み、11b・・・第1化合物半導体層と面する化合物半導体基板(発光素子製造用基板)の第2面、11A・・・凸形状部、12・・・溝部(縦筋)、20・・・発光構造体、21・・・第1化合物半導体層、21a・・・第1化合物半導体層の第1面、21b・・・第1化合物半導体層の第2面、21d,21e・・・第1化合物半導体層の第1面の突出部、22・・・第2化合物半導体層、22a・・・第2化合物半導体層の第1面、22b・・・第2化合物半導体層の第2面、23・・・活性層(発光層)、24・・・電流狭窄層(絶縁層)、25・・・電流狭窄層(絶縁層)に設けられた開口、26・・・誘電体層、31・・・第1電極、32・・・第2電極、33・・・パッド電極、41・・・第1光反射層、41A・・・第1化合物半導体層に形成された傾斜部、42・・・第2光反射層、42A・・・第2光反射層に形成された順テーパー状の傾斜部、43・・・凹面鏡部、43A・・・凹部、43a・・・第1光反射層の凹面鏡部における有効領域の発光構造体に面する界面、44・・・第1光反射層の凹面鏡部における有効領域、45A,45B,45D,45E,45F・・・基部、45c・・・突出部、46・・・多層光反射膜、47・・・平坦化膜、48・・・接合層、49・・・支持基板、51,61・・・電流注入領域、52,62・・・電流非注入・内側領域、53,63・・・電流非注入・外側領域、54,64・・・モードロス作用部位(モードロス作用層)、54A,54B,64A・・・モードロス作用部位に形成された開口部、55,65・・・モードロス作用領域、70・・・中間層(平坦化層)、71・・・中間層の第1面、72・・・中間層の第2面
Claims (15)
- 複数の薄膜が積層されて成る第1光反射層、
発光構造体、及び、
複数の薄膜が積層されて成る第2光反射層、
が積層されて成る積層構造体を備えており、
発光構造体は、第1光反射層側から、
第1化合物半導体層、
活性層、及び、
第2化合物半導体層、
が積層されて成り、
第2化合物半導体層と第2光反射層との間には、第2化合物半導体層側から、電極及び中間層が形成されており、
電極に面する中間層の面を第1面、第2光反射層に接する中間層の面を第2面としたとき、第2面の表面粗さの値は第1面の表面粗さの値よりも小さい発光素子。 - 発光中心から半径20μm内の領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である請求項1に記載の発光素子。
- 発光強度が最大発光強度の(1/e)以上である領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は1.0nm以下である請求項1に記載の発光素子。
- 発光中心から半径1μm内の領域における中間層の第1面の二乗平均平方根粗さRqの値は2.0nm以下である請求項1に記載の発光素子。
- 中間層の光学的厚さは、中間層に接する第2光反射層の第1層目の光学的厚さよりも厚い請求項1に記載の発光素子。
- 中間層を構成する材料の屈折率をnM、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料の屈折率をn1とし、発光素子から出射される主たる光の波長をλ0としたとき、中間層は(λ0/4nM)を超える厚さを有し、中間層に接する第2光反射層の第1層目は(λ0/4n1)の厚さを有する請求項5に記載の発光素子。
- 中間層は(λ0/2nM)以上の厚さを有する請求項6に記載の発光素子。
- 電極を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
0.8<n0/nM<1.2
を満足する請求項1に記載の発光素子。 - 0.95<n0/nM<1.05
を満足する請求項8に記載の発光素子。 - 電極を構成する材料の屈折率をn0、中間層を構成する材料の屈折率をnMとしたとき、
|n0-nM|≦0.1
を満足する請求項1に記載の発光素子。 - 中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは同じである請求項1に記載の発光素子。 - 中間層を構成する材料と、中間層に接する第2光反射層の第1層目を構成する材料とは異なり、
中間層を構成する材料と、第2光反射層の第1層目と接する第2層目を構成する材料とは異なり、
第2光反射層の第1層目を構成する材料と、第2光反射層の第2層目を構成する材料とは異なる請求項1に記載の発光素子。 - 発光素子から出射される光の光場強度分布の最大振幅部分の近傍に活性層が位置しており、光場強度分布の最小振幅部分の近傍に中間層が位置している請求項1に記載の発光素子。
- 平行な複数の溝部を表面に有する基板上に第1化合物半導体層が形成されている請求項1に記載の発光素子。
- 基板は、主面として{20-21}面を有するGaN基板から成る請求項14に記載の発光素子。
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