JP7441980B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
第1光反射層、積層構造体及び第2光反射層が積層されて成り、
積層構造体は、第1光反射層側から、第1化合物半導体層、発光層及び第2化合物半導体層が積層されて成り、
積層構造体からの光は、第1光反射層又は第2光反射層を介して外部に出射され、
第1光反射層は、少なくとも2種類の薄膜が、複数、交互に積層された構造を有しており、
積層構造体と第1光反射層との間には、膜厚変調層が設けられ、
第1光反射層及び膜厚変調層は、凹面鏡部を有し、
第2光反射層は、平坦な形状を有し、
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。
DCI≧ω0/2
但し、
ω0 2≡(λ0/π){LOR(RDBR-LOR)}1/2
ここで、
λ0 :発光素子から主に出射される光の波長
LOR :共振器長
RDBR:第1光反射層及び膜厚変調層から構成された凹面鏡部の曲率半径
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の別の変形)
5.実施例4(実施例1~実施例3の変形、光吸収材料層を備えた発光素子)
6.実施例5(実施例4の変形)
7.実施例6(実施例4の別の変形)
8.実施例7(実施例1~実施例6の変形、凹面鏡部を有する発光素子、第5-A構成の発光素子)
9.実施例8(実施例7の変形、第5-B構成の発光素子)
10.実施例9(実施例7~実施例8の変形、第6構成の発光素子)
11.実施例10(実施例9の変形)
12.実施例11(実施例7~実施例10の変形、第1構成の発光素子)
13.実施例12(実施例7~実施例11の変形、第2-A構成の発光素子)
14.実施例13(実施例12の変形、第2-B構成の発光素子)
15.実施例14(実施例12~実施例13の変形、第2-C構成の発光素子)
16.実施例15(実施例12~実施例14の変形、第2-D構成の発光素子)
17.実施例16(実施例12~実施例15の変形)
18.実施例17(実施例7~実施例11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)
19.実施例18(実施例7~実施例17の変形、第4構成の発光素子)
20.その他
本開示の発光素子において、第1光反射層は、光学膜厚t1を有する第1の薄膜と、光学膜厚t2(但し、t2≠t1)を有する第2の薄膜とが、複数、交互に積層された構造を有しており;膜厚変調層は、少なくとも1層の、光学膜厚t3(但し、t3≠t1)を有する第3の薄膜から構成されている形態とすることができる。そして、この場合、膜厚変調度合いとして、t3/t1≧1.1、好ましくは、1.9≧t3/t1≧1.1を満足し、又は、t3/t1≦0.9、好ましくは、0.1≦t3/t1≦0.9を満足することが望ましい。
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形態とすることができる。
(A)第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有し、第1導電型(具体的には、n型)を有する厚さ4nmの第1化合物半導体層21、
第1化合物半導体層21の第2面21bと面する発光層(活性層)23、並びに、
発光層23と面する第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第2導電型(具体的には、p型)を有する厚さ100nmの第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積層構造体20、
(B)第1化合物半導体層21の第1面21a側に配設された第1光反射層41、並びに、
(C)第2化合物半導体層22の第2面22b側に配設された第2光反射層42、
を備えている。第1化合物半導体層21の厚さは、第2化合物半導体層22の厚さよりも厚い。
物理的な厚さ 屈折率 光学膜厚
第1の薄膜41A 54.4nm 2.00 t1=109nm
第2の薄膜41B 77.7nm 1.40 t2=109nm
第3Aの薄膜81A 40.8nm 2.00 t3= 81.6nm
第3Bの薄膜81B 77.7nm 1.40 t1=109nm
第4Aの薄膜82A 43.5nm 2.00 t4= 87.0nm
第4Bの薄膜82B 77.7nm 1.40 t2=109nm
先ず、発光素子製造用基板11の第2面11b上に、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、第1光反射層41を形成する。更に、スパッタリング法や真空蒸着法、プラズマCVD法といった周知の方法に基づき、膜厚変調層80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、膜厚変調層80及び第1光反射層41の不要な部分を除去して、所望の形状を有する第1光反射層41及び膜厚変調層80を得る(図3A参照)。第1光反射層41及び膜厚変調層80は平坦な形状を有する。
次に、膜厚変調層80を含む発光素子製造用基板11の第2面11b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積層構造体20を形成する。具体的には、
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と面する発光層(活性層)23、並びに、
発光層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積層構造体20を形成する。
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、開口部34Aを有し、SiO2から成る絶縁層(電流狭窄層)34を形成する(図3B参照)。開口部34Aを有する絶縁層34によって、電流狭窄領域(素子領域61A及び電流非注入領域61B)が規定される。即ち、開口部34Aによって素子領域61Aが規定される。
その後、第2化合物半導体層22上に第2電極32及び第2光反射層42を形成する。具体的には、開口部34A(素子領域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34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(図3C参照)。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第2光反射層42を形成する。第2電極32の上の第2光反射層42は平坦な形状を有する。
その後、発光素子製造用基板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。こうして、図1Aに示した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、パッケージや封止をすることで、実施例1の発光素子を完成させることができる。
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1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。
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。
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。
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6Aに示した構造を有する実施例2の発光素子を得ることができる。
物理的な厚さ 屈折率 光学膜厚
第1の薄膜41A 87.1nm 1.40 t1=122nm
第2の薄膜41B 55.5nm 2.20 t2=122nm
第3Aの薄膜81A 65.4nm 1.40 t3= 91.6nm
第3Bの薄膜81B 55.5nm 2.20 t1=122nm
第4Aの薄膜82A 69.7nm 1.40 t4= 97.6nm
第4Bの薄膜82B 55.5nm 2.20 t2=122nm
物理的な厚さ 屈折率 光学膜厚
第1の薄膜41A 49.3nm 2.61 t1=129nm
第2の薄膜41B 52.8nm 2.44 t2=129nm
第3Aの薄膜81A 56.7nm 2.61 t3=148nm
第3Bの薄膜81B 52.8nm 2.44 t1=129nm
第4Aの薄膜82A 56.7nm 2.61 t4=148nm
第4Bの薄膜82B 52.8nm 2.44 t2=129nm
LOR=(m・λ0)/(2・neq) (A)
で表される。ここで、mは、正の整数である。ところで、面発光レーザ素子(発光素子)において、発振可能な波長は共振器長LORによって決まる。発振可能な個々の発振モードは縦モードと呼ばれる。そして、縦モードの内、発光層によって決まるゲインスペクトルと合致するものが、レーザ発振し得る。縦モードの間隔Δλは、実効屈折率をneffとしたとき、
λ0 2/(2neff・LOR)
で表される。即ち、共振器長LORが長いほど、縦モードの間隔Δλは狭くなる。よって、共振器長LORが長い場合、複数の縦モードがゲインスペクトル内に存在し得るため、複数の縦モードが発振し得る。尚、等価屈折率neqと実効屈折率neffとの間には、発振波長をλ0としたとき、以下の関係がある。
0.9×{(m・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(m・λ0)/(2・neq)} (B-1)
を満足することが好ましい。ここで、mは、1、又は、1を含む2以上の任意の整数である。等価屈折率neqとは、2層の光吸収材料層、及び、光吸収材料層と光吸収材料層との間に位置する積層構造体の部分を構成する各層のそれぞれの厚さをti、それぞれの屈折率をniとしたとき、
neq=Σ(ti×ni)/Σ(ti)
で表される。但し、i=1,2,3・・・,Iであり、「I」は、2層の光吸収材料層、及び、光吸収材料層と光吸収材料層との間に位置する積層構造体の部分を構成する層の総数であり、「Σ」はi=1からi=Iまでの総和を取ることを意味する。等価屈折率neqは、発光素子断面の電子顕微鏡観察等から構成材料を観察し、それぞれの構成材料に対して既知の屈折率及び観察により得た厚さを基に算出すればよい。mが1の場合、隣接する光吸収材料層の間の距離は、全ての複数の光吸収材料層において、
0.9×{λ0/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{λ0/(2・neq)} (B-2)
を満足する。また、mが1を含む2以上の任意の整数であるとき、一例として、m=1,2とすれば、一部の光吸収材料層において、隣接する光吸収材料層の間の距離は、
0.9×{λ0/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{λ0/(2・neq)} (B-2)
を満足し、残りの光吸収材料層において、隣接する光吸収材料層の間の距離は、
0.9×{(2・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(2・λ0)/(2・neq)} (B-3)
を満足する。広くは、一部の光吸収材料層において、隣接する光吸収材料層の間の距離は、
0.9×{λ0/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{λ0/(2・neq)} (B-2)
を満足し、残りの種々の光吸収材料層において、隣接する光吸収材料層の間の距離は、
0.9×{(m’・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(m’・λ0)/(2・neq)} (B-4)
を満足する。ここで、m’は、2以上の任意の整数である。また、隣接する光吸収材料層の間の距離とは、隣接する光吸収材料層の重心と重心との間の距離である。即ち、実際には、発光層の厚さ方向に沿った仮想平面で切断したときの、各光吸収材料層の中心と中心との間の距離である。
0.9×{(m・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(m・λ0)/(2・neq)} (B-1)
を満足する。ここで、mは、1、又は、1を含む2以上の任意の整数である。但し、実施例4においては、m=1とした。従って、隣接する光吸収材料層91の間の距離は、全ての複数の光吸収材料層91(20層の光吸収材料層91)において、
0.9×{λ0/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{λ0/(2・neq)} (B-2)
を満足する。等価屈折率neqの値は、具体的には、2.42であり、m=1としたとき、具体的には、
LAbs=1×450/(2×2.42)
=93.0nm
である。尚、20層の光吸収材料層91の内、一部の光吸収材料層91にあっては、mを、2以上の任意の整数とすることもできる。
0.9×{λ0/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{λ0/(2・neq)} (B-2)
を満足する。また、発光層23に隣接した第1の光吸収材料層と、第2の光吸収材料層とは、m=2とした。即ち、
0.9×{(2・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(2・λ0)/(2・neq)} (B-3)
を満足する。第2電極32を兼用する1層の第2の光吸収材料層の光吸収係数は2000cm-1、厚さは30nmであり、発光層23から第2の光吸収材料層までの距離は139.5nmである。以上の点を除き、実施例6の発光素子の構成、構造は、実施例4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、5層の第1の光吸収材料層の内、一部の第1の光吸収材料層にあっては、mを、2以上の任意の整数とすることもできる。尚、実施例4と異なり、光吸収材料層91の数を1とすることもできる。この場合にも、第2電極32を兼ねた第2の光吸収材料層と光吸収材料層91の位置関係は、以下の式を満たす必要がある。
0.9×{(m・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(m・λ0)/(2・neq)} (B-1)
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。
但し、
ω0 2≡(λ0/π){LOR(RDBR-LOR)}1/2 (C-2)
ここで、
λ0 :発光素子から主に出射される光の波長(発振波長)
LOR :共振器長
RDBR:第1光反射層等から構成された凹面鏡部の曲率半径
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光反射層は第2電極上に形成されており、
積層構造体には、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光反射層は第2電極上に形成されており、
積層構造体には、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面上に形成された第2電極、
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光反射層等は、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、
積層構造体には、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。
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7 (D-1)
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 (D-2)
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。
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発光層から第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発光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、電流非注入・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。
(λ0/4n0)×m-(λ0/8n0)≦t0≦(λ0/4n0)×2m+(λ0/8n0) (E)
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。
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発光層から第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発光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発光層から第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発光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、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形態とすることができ、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、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。
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、発光素子から主に出射される所望の光の波長(発振波長)λ0として、
λ0 =450nm
を例示することができる。
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。
先ず、厚さ0.4mm程度の化合物半導体基板から成る発光素子製造用基板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と面する発光層(活性層)23、並びに、
発光層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積層構造体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、発光層23及び第2化合物半導体層22を、発光素子製造用基板11の第2面11b上に、順次、形成することで、積層構造体20を得ることができる(図14A参照)。
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、開口部34Aを有し、SiO2から成る絶縁層(電流狭窄層)34を形成する(図14B参照)。開口部34Aを有する絶縁層34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、開口部34Aによって電流注入領域61Aが規定される。
その後、第2化合物半導体層22上に第2電極32及び第2光反射層42を形成する。具体的には、開口部34A(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34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第2光反射層42を形成する。第2電極32の上の第2光反射層42は平坦な形状を有する。こうして、図15に示す構造を得ることができる。
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16参照)。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、発光素子製造用基板11を、機械研磨法やCMP法に基づき薄くし、更に、発光素子製造用基板11の第1面11aに鏡面仕上げを施す(図17参照)。発光素子製造用基板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、発光素子製造用基板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を形成すべき発光素子製造用基板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発光素子製造用基板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、発光素子製造用基板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18参照)。
その後、少なくとも基部45Aの一部の上に膜厚変調層80及び多層光反射膜46を形成する。具体的には、発光素子製造用基板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膜厚変調層80及び多層光反射膜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及び膜厚変調層80の不要な部分を除去して膜厚変調層80及び第1光反射層41を得た後(図19参照)、発光素子製造用基板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。
そして、支持基板49を剥離する。こうして、図13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7の発光素子を完成させる。
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、開口部34A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。
(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と面する発光層(活性層)23、及び、
発光層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積層構造体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及び膜厚変調層80、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。
(λ0/4n0)×m-(λ0/8n0)≦t0≦(λ0/4n0)×2m+(λ0/8n0) (E)
を満足すればよい。具体的には、モードロス作用部位54の光学膜厚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。
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7 (D-1)
を満足する。具体的には、
S1/(S1+S2)=82/122=0.44
である。
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28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28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。
実施例12の発光素子の製造にあっては、先ず、実施例7の[工程-700]と同様の工程を実行する。
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を積層構造体20に形成する。
その後、実施例7の[工程-710]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27A参照)。
その後、実施例7の[工程-720]~[工程-760]と同様の工程を実行することで、実施例12の発光素子を得ることができる。尚、[工程-720]と同様の工程の途中において得られた構造を図27Bに示す。
0.01≦S1/(S1+S2)≦0.7 (D-1)
を満足する。具体的には、
S1/(S1+S2)=102/152=0.44
である。
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。
(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と接する発光層(活性層)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が発光層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る積層構造体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)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膜厚変調層80及び第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17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。
(λ0/4n0)×m-(λ0/8n0)≦t0≦(λ0/4n0)×2m+(λ0/8n0) (E)
を満足すればよい。具体的には、モードロス作用部位64の光学膜厚t0は、発光素子において生成した光の波長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。
0.01≦S1’/(S1’+S2’)≦0.7 (D-2)
を満足する。具体的には、
S1’/(S1’+S2’)=82/152=0.28
である。
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28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。
先ず、実施例12の[工程-1200]と同様の工程を実行することで、積層構造体20を得ることができる。次いで、実施例12の[工程-1210]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を積層構造体20に形成することができる。
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第2光反射層42を形成する。
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。
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。
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。
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、膜厚変調層80及び多層光反射膜46から成る凹面鏡部43から構成された膜厚変調層80及び第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34に示した構造を有する実施例17の発光素子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17の発光素子を完成させる。
LAbs=1×450/(2×2.42)
=93.0nm
である。尚、20層の光吸収材料層91の内、一部の光吸収材料層91にあっては、mを、2以上の任意の整数とすることもできる。
[A01]《発光素子》
第1光反射層、積層構造体及び第2光反射層が積層されて成り、
積層構造体は、第1光反射層側から、第1化合物半導体層、発光層及び第2化合物半導体層が積層されて成り、
積層構造体からの光は、第1光反射層又は第2光反射層を介して外部に出射され、
第1光反射層は、少なくとも2種類の薄膜が、複数、交互に積層された構造を有しており、
積層構造体と第1光反射層との間には、膜厚変調層が設けられている発光素子。
[A02]第1光反射層は、光学膜厚t1を有する第1の薄膜と、光学膜厚t2(但し、t2≠t1)を有する第2の薄膜とが、複数、交互に積層された構造を有しており、
膜厚変調層は、少なくとも1層の、光学膜厚t3(但し、t3≠t1)を有する第3の薄膜から構成されている[A01]に記載の発光素子。
[A03]t3/t1≧1.1、又は、t3/t1≦0.9を満足する[A02]に記載の発光素子。
[A04]第1の薄膜は、第1の材料から成り、
第2の薄膜は、第1の材料とは異なる第2の材料から成る[A02]又は[A03]に記載の発光素子。
[A05]膜厚変調層は、第3の薄膜と、光学膜厚t4を有する第4の薄膜とが積層された構造を有する[A02]乃至[A04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A06]膜厚変調層は、第3の薄膜と第4の薄膜とが、複数、交互に積層された構造を有しており、
第3の薄膜の内、少なくとも1層の光学膜厚は、t3≠t1を満足する[A05]に記載の発光素子。
[A07]第4の薄膜の内、少なくとも1層の光学膜厚は、t4≠t2を満足する[A06]に記載の発光素子。
[A08]t3≠t1を満足する第3の薄膜、又は、t4≠t2を満足する第4の薄膜は、第1光反射層と接している[A07]に記載の発光素子。
[A09]t3≠t1を満足する第3の薄膜以外の第3の薄膜は、t3=t1を満足し、
t4≠t2を満足する第4の薄膜以外の第4の薄膜は、t4=t2を満足する[A08]に記載の発光素子。
[A10]第3の薄膜と第4の薄膜の層数合計は5以下である[A06]乃至[A09]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A11]第3の薄膜は、第1の材料から成り、
第4の薄膜は、第2の材料から成る[A05]乃至[A10]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A12]第1光反射層は基板上に形成されている[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A13]第1光反射層が形成されていない基板の領域上には積層構造体が形成されている[A12]に記載の発光素子。
[A14]第1光反射層は積層構造体の露出面上に形成されている[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A15]第1の材料は化合物半導体材料から成り、第2の材料も化合物半導体材料から成る[A04]乃至[A11]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A16]第1の材料は誘電体材料から成り、第2の材料も誘電体材料から成る[A04]乃至[A14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A17]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。
[A18]第1化合物半導体層の厚さは、第2化合物半導体層の厚さよりも厚い[A01]乃至[A17]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A19]積層構造体はGaN系化合物半導体から成る[A01]乃至[A18]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A20]積層構造体と膜厚変調層の界面に凹凸が形成されており、凹凸の表面粗さ二乗平均平方根粗さRqは、Rq≧1nmである[A01]乃至[A19]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A21]積層構造体と膜厚変調層の界面に点欠陥が形成されており、点欠陥の密度は1×1017/cm3以上である[A01]乃至[A20]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A22]積層構造体と膜厚変調層の界面に空隙が形成されており、空隙の厚さは10nm以下である[A01]乃至[A21]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A23]膜厚変調層を構成する材料は、第1化合物半導体層、発光層及び第2化合物半導体層を構成する材料とは異なる[A01]乃至[A22]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B01]《光吸収材料層を備えた発光素子》
積層構造体の内部には、発光層が占める仮想平面と平行に、少なくとも2層の光吸収材料層が形成されている[A01]乃至[A23]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B02]少なくとも4層の光吸収材料層が形成されている[B01]に記載の発光素子。
[B03]発振波長をλ0、2層の光吸収材料層、及び、光吸収材料層と光吸収材料層との間に位置する積層構造体の部分の全体の等価屈折率をneq、光吸収材料層と光吸収材料層との間の距離をLAbsとしたとき、
0.9×{(m・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(m・λ0)/(2・neq)}
を満足する[B01]又は[B02]に記載の発光素子。
但し、mは、1、又は、1を含む2以上の任意の整数である。
[B04]光吸収材料層の厚さは、λ0/(4・neq)以下である[B01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B05]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低振幅部分に光吸収材料層が位置する[B01]乃至[B04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B06]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に発光層が位置する[B01]乃至[B05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B07]光吸収材料層は、積層構造体を構成する化合物半導体の光吸収係数の2倍以上の光吸収係数を有する[B01]乃至[B06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B08]光吸収材料層は、積層構造体を構成する化合物半導体よりもバンドギャップの狭い化合物半導体材料、不純物をドープした化合物半導体材料、透明導電性材料、及び、光吸収特性を有する光反射層構成材料から成る群から選択された少なくとも1種類の材料から構成されている[B01]乃至[B07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C01]《凹面鏡部を有する発光素子》
第1光反射層及び膜厚変調層は、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[B08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C02]共振器長をLORとしたとき、1×10-5m≦LORを満足する[C01]に記載の発光素子。
[C03]積層構造体の積層方向を含む仮想平面で第1光反射層及び膜厚変調層を切断したときの第1光反射層及び膜厚変調層から構成された凹面鏡部の一部の積層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[C01]又は[C02]に記載の発光素子。
[D01]《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[C01]乃至[C03]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 :発光素子から主に出射される光の波長
LOR :共振器長
RDBR:第1光反射層及び膜厚変調層から構成された凹面鏡部の曲率半径
[D02]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光反射層は第2電極上に形成されており、
積層構造体には、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[D01]に記載の発光素子。
[D03]第1光反射層及び膜厚変調層から構成された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[D01]又は[D02]に記載の発光素子。
[D04]DCI≧ω0を満足する[D01]乃至[D03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D05]RDBR≦1×10-3mを満足する[D01]乃至[D04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E01]《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光反射層は第2電極上に形成されており、
積層構造体には、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]乃至[C03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E02]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[E01]に記載の発光素子。
[E03]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[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E04]電流非注入・内側領域及び電流非注入・外側領域は、積層構造体へのイオン注入によって形成される[E01]乃至[E03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E05]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[E04]に記載の発光素子。
[E06]《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[E01]乃至[E05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E07]《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[E01]乃至[E06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E08]電流注入領域における発光層から第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発光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[E04]乃至[E07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E09]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[E04]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、金属材料又は合金材料から成る[E04]乃至[E09]のいずれか1項に記載の発光素子。
[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膜厚は、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[E10]に記載の発光素子。
[E12]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膜厚は、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[E10]に記載の発光素子。
[E13]《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[E01]乃至[E03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E14]電流注入領域における発光層から第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発光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[E13]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[E13]又は[E14]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[E13]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、
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光反射層及び膜厚変調層は、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、
積層構造体には、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]乃至[C03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F02]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[F01]に記載の発光素子。
[F03]《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、積層構造体へのイオン注入によって形成される[F01]又は[F02]に記載の発光素子。
[F04]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[F03]に記載の発光素子。
[F05]《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[F01]乃至[F04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F06]《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[F01]乃至[F05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F07]電流注入領域における発光層から第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発光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[F03]乃至[F06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F08]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[F03]乃至[F07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F09]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[F03]乃至[F08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F10]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膜厚は、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[F09]に記載の発光素子。
[F11]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膜厚は、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[F09]に記載の発光素子。
[F12]《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[F01]又は[F02]に記載の発光素子。
[F13]電流注入領域における発光層から第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発光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[F12]に記載の発光素子。
[F14]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[F01]又は[F02]に記載の発光素子。
[F15]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[F12]乃至[F14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F16]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[F12]乃至[F15]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F17]第2電極は、透明導電性材料から成る[F01]乃至[F16]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G01]《第4構成の発光素子》
第2電極を含む積層構造体には、発光層が占める仮想平面と平行に、少なくとも2層の光吸収材料層が形成されている[C01]乃至[F17]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G02]少なくとも4層の光吸収材料層が形成されている[G01]に記載の発光素子。
[G03]発振波長をλ0、2層の光吸収材料層、及び、光吸収材料層と光吸収材料層との間に位置する積層構造体の部分の全体の等価屈折率をneq、光吸収材料層と光吸収材料層との間の距離をLAbsとしたとき、
0.9×{(m・λ0)/(2・neq)}≦LAbs≦1.1×{(m・λ0)/(2・neq)}
を満足する[G01]又は[G02]に記載の発光素子。
但し、mは、1、又は、1を含む2以上の任意の整数である。
[G04]光吸収材料層の厚さは、λ0/(4・neq)以下である[G01]乃至[G03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G05]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低振幅部分に光吸収材料層が位置する[G01]乃至[G04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G06]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に発光層が位置する[G01]乃至[G05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G07]光吸収材料層は、積層構造体を構成する化合物半導体の光吸収係数の2倍以上の光吸収係数を有する[G01]乃至[G06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[G08]光吸収材料層は、積層構造体を構成する化合物半導体よりもバンドギャップの狭い化合物半導体材料、不純物をドープした化合物半導体材料、透明導電性材料、及び、光吸収特性を有する光反射層構成材料から成る群から選択された少なくとも1種類の材料から構成されている[G01]乃至[G07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[H01]第1化合物半導体層の第1面と第1光反射層及び膜厚変調層との間には化合物半導体基板が配されている[C01]乃至[G08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[H02]化合物半導体基板はGaN基板から成る[H01]に記載の発光素子。
[H03]第1光反射層及び膜厚変調層から構成された凹面鏡部は、化合物半導体基板の突出部から成る基部、並びに、少なくとも基部の一部の表面に形成された膜厚変調層及び多層光反射膜から構成されている[H01]又は[H02]に記載の発光素子。
[H04]第1光反射層及び膜厚変調層から構成された凹面鏡部は、化合物半導体基板上に形成された基部、並びに、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及び膜厚変調層から構成されている[H01]又は[H02]に記載の発光素子。
[H05]第1化合物半導体層の第1面に第1光反射層及び膜厚変調層が形成されている[C01]乃至[G08]のいずれか1項に記載の発光素子。
[H06]積層構造体の熱伝導率の値は、第1光反射層及び膜厚変調層の熱伝導率の値よりも高い[C01]乃至[H05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[H07]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[C01]乃至[H06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[H08]第1光反射層及び膜厚変調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[C01]乃至[H07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[J01]《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面と面する発光層、並びに、
発光層と面する第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積層構造体を形成した後、
第2化合物半導体層上に第2電極及び第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膜厚変調層及び第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。
Claims (17)
- 第1光反射層、積層構造体及び第2光反射層が積層されて成り、
前記積層構造体は、前記第1光反射層側から、第1化合物半導体層、発光層及び第2化合物半導体層を積層して成り、
前記積層構造体からの光は、前記第1光反射層又は前記第2光反射層を介して外部に出射され、
前記第1光反射層は、少なくとも2種類の薄膜が、複数、交互に積層された構造を有しており、
前記積層構造体と前記第1光反射層との間には、膜厚変調層が設けられ、
前記積層構造体の内部には、前記発光層が占める仮想平面と平行に、少なくとも2層の光吸収材料層が形成されている発光素子。 - 少なくとも4層の前記光吸収材料層が形成されている請求項1に記載の発光素子。
- 発振波長をλ 0 、2層の前記光吸収材料層、及び、前記光吸収材料層と前記光吸収材料層との間に位置する前記積層構造体の部分の全体の等価屈折率をn eq 、前記光吸収材料層と前記光吸収材料層との間の距離をL Abs としたとき、
0.9×{(m・λ 0 )/(2・n eq )}≦L Abs ≦1.1×{(m・λ 0 )/(2・n eq )}
を満足する請求項1に記載の発光素子。
但し、mは、1、又は、1を含む2以上の任意の整数である。 - 前記光吸収材料層の厚さは、λ 0 /(4・n eq )以下である請求項1に記載の発光素子。
- 前記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低振幅部分に前記光吸収材料層が位置する請求項1に記載の発光素子。
- 前記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に前記発光層が位置する請求項1に記載の発光素子。
- 前記光吸収材料層は、前記積層構造体を構成する化合物半導体の光吸収係数の2倍以上の光吸収係数を有する請求項1に記載の発光素子。
- 前記光吸収材料層は、前記積層構造体を構成する化合物半導体よりもバンドギャップの狭い化合物半導体材料、不純物をドープした化合物半導体材料、透明導電性材料、及び、光吸収特性を有する光反射層構成材料から成る群から選択された少なくとも1種類の材料から構成されている請求項1に記載の発光素子。
- 前記第1光反射層は、光学膜厚t 1 を有する第1の薄膜と、光学膜厚t 2 (但し、t 2 ≠t 1 )を有する第2の薄膜とが、複数、交互に積層された構造を有しており、
前記膜厚変調層は、少なくとも1層の、光学膜厚t 3 (但し、t 3 ≠t 1 )を有する第3の薄膜から構成されている請求項1に記載の発光素子。 - t 3 /t 1 ≧1.1、又は、t 3 /t 1 ≦0.9を満足する請求項9に記載の発光素子。
- 前記第1の薄膜は、第1の材料から成り、
前記第2の薄膜は、第1の材料とは異なる第2の材料から成る請求項9に記載の発光素子。 - 前記膜厚変調層は、第3の薄膜と、光学膜厚t 4 を有する第4の薄膜とが積層された構造を有する請求項9に記載の発光素子。
- 前記膜厚変調層は、前記第3の薄膜と前記第4の薄膜とが、複数、交互に積層された構造を有しており、
前記第3の薄膜の内、少なくとも1層の光学膜厚は、t 3 ≠t 1 を満足する請求項12に記載の発光素子。 - 前記第4の薄膜の内、少なくとも1層の光学膜厚は、t 4 ≠t 2 を満足する請求項12に記載の発光素子。
- t 3 ≠t 1 を満足する前記第3の薄膜、又は、t 4 ≠t 2 を満足する前記第4の薄膜は、前記第1光反射層と接している請求項14に記載の発光素子。
- t 3 ≠t 1 を満足する前記第3の薄膜以外の前記第3の薄膜は、t 3 =t 1 を満足し、
t 4 ≠t 2 を満足する前記第4の薄膜以外の前記第4の薄膜は、t 4 =t 2 を満足する請求項15に記載の発光素子。 - 前記第3の薄膜と前記第4の薄膜の層数合計は5以下である請求項13に記載の発光素子。
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