JPH09219562A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPH09219562A
JPH09219562A JP2291096A JP2291096A JPH09219562A JP H09219562 A JPH09219562 A JP H09219562A JP 2291096 A JP2291096 A JP 2291096A JP 2291096 A JP2291096 A JP 2291096A JP H09219562 A JPH09219562 A JP H09219562A
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JP
Japan
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film
resonator
light emitting
emitting device
substrate
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JP2291096A
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English (en)
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Megumi Doumen
恵 堂免
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振器の下側に高反射膜として半導体多層膜
を成長することが困難な材料に対して,この高反射膜を
なくした構造で発振可能な面発光レーザの提供。 【解決手段】 1)垂直共振器面型半導体発光素子であ
って,共振器の一方の端面は半導体層の表面または界面
であり, 他方の端面には前記一方の端面より高反射率の
材料からなる光反射膜を有する半導体発光素子,2)垂
直共振器面型半導体発光素子であって,基板上に形成さ
れた半導体層からなる共振器の下部端面が該半導体層と
該基板との界面であり,該共振器の上部端面には誘電体
多層膜からなる光反射膜が形成されている半導体発光素
子,3)垂直共振器面型半導体発光素子であって,基板
上に形成された半導体層からなる共振器の下部端面が該
半導体層と該基板との界面であり,該共振器の上部端面
及び該基板の裏面には誘電体多層膜からなる光反射膜が
形成されている半導体発光素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子に係
り, 特にGaN 系の面発光レーザに関する。近年, 青色か
ら近紫外領域に波長を有する短波長レーザの開発が盛ん
である。青色レーザ用の材料としては, II-VI 族のZnSe
系と,III-V 族のGaN 系とがあるが,ZnSe系は高品質基
板としての実績があるGaAsにほぼ格子整合することか
ら,長い間有利であるとされてきた。このため,すでに
室温連続発振が報告されているが,ZnSe系は本質的に劣
化しやすい材料であるため,未だに実用化されていな
い。一方, 最近, GaN の高輝度LED が報告されて以来Ga
N 系についても研究が進んでいるが,未だ電流注入によ
る発振例はしきい値電流が 4 KA/cm2 と非常に高い。
【0002】
【従来の技術】GaN 系材料で電流注入型の素子による発
振しきい値が高い原因は多くあるが,その内の一つは基
板のサファイアの劈開線とGaN の劈開線が一致しないこ
とである。このため,劈開面による共振器ミラーの作製
が困難でミラーロスが非常に大きい。この欠点を除去す
るためには, 劈開面を共振器端面としなくてもよい垂直
共振器を有する面型素子が有効である。
【0003】半導体薄膜の膜厚方向を共振器長とする面
発光レーザは, 超短共振器であることから低しきい値電
流が可能であり,2次元アレイの作製が容易であること
等の優れた特徴を持っている。1984年にGaAs系材料で室
温パルス発振が報告されてから研究が進み,現在では室
温連続発振で 100μAを切るしきい値電流が報告されて
いる。
【0004】通常,半導体材料の光学利得はある領域で
飽和を起こすため,電流を注入すれば高利得が得られる
というわけではなく,共振器長が短く利得生成領域が小
さい面発光レーザでは,高反射膜のミラー損失をどれだ
け小さくできるかが開発の焦点である。面発光レーザの
開発の歴史は,小さい利得で発振を得るための高反射膜
の開発の歴史そのものであった。従って,現在では共振
器の両端面の高反射膜の反射率は95%以上となってい
る。
【0005】従来構造の面発光レーザが高反射膜として
半導体多層膜が多く用いられるが,この理由は共振器の
両側に高反射膜を作製できること及び制御性良く高反射
膜が作製できることである。すなわち,半導体多層膜を
用いるとレーザ部の成長と同様に高反射膜を作製できる
ので, 基板とレーザ部との間に高反射膜を作り込むこと
ができる。これに対して,蒸着等により高反射膜を後付
けする場合は共振器の上部にしか高反射膜を作製するこ
とはできない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のように, 通常面
発光レーザで使用されている高反射膜の構造は, 現在ほ
とんど半導体多層膜による分布ブラグ反射(DBR) ミラー
である。この高反射膜は1/4波長の超薄膜を制御性よ
く多層成長して形成されるが,GaN では波長が370 nmと
短いため, これまでの主流であった1μm帯のレーザの
1/4程度の膜厚の多層膜を成長しなければならず,成
長の難しいGaN では半導体多層膜による高反射膜の作製
は無理である。
【0007】本発明は共振器の下側に高反射膜として半
導体多層膜を成長することが困難な材料に対して,共振
器の下側の高反射膜をなくした構造で発振可能な面発光
レーザの提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は, 1)垂直共振器面型半導体発光素子であって,共振器の
一方の端面は半導体層の表面または界面であり, 他方の
端面には前記一方の端面より高反射率の材料からなる光
反射膜を有する半導体発光素子,あるいは 2)垂直共振器面型半導体発光素子であって,基板上に
形成された半導体層からなる共振器の下部端面が該半導
体層と該基板との界面であり,該共振器の上部端面には
誘電体多層膜からなる光反射膜が形成されている半導体
発光素子,あるいは 3)垂直共振器面型半導体発光素子であって,基板上に
形成された半導体層からなる共振器の下部端面が該半導
体層と該基板との界面であり,該共振器の上部端面及び
該基板の裏面には誘電体多層膜からなる光反射膜が形成
されている半導体発光素子,あるいは 4)前記共振器はGaN を含む結晶からなる前記1または
2または3記載の半導体発光素子,あるいは 5)前記共振器は,利得生成領域(活性層)がGaN また
はAlGaN またはInGaN からなる前記1または2または3
または4記載の半導体発光素子,あるいは 6)前記誘電体多層膜は酸化シリコン膜とアルミナ膜と
が交互に積層された多層膜である前記2または3記載の
半導体発光素子。 7)前記共振器はサファイアまたは炭化珪素またはスピ
ネルまたはGaN またはAlN 基板上に形成されてなる前記
項1または2または3または4または5記載の半導体発
光素子により達成される。
【0009】本発明では,GaN 面発光レーザの片側端面
に誘電体多層膜による高反射膜を用い,他側端面は高反
射膜を作製しないで,半導体層/基板界面をそのまま高
反射膜とし,基板側より出力光を取り出している。
【0010】GaN 系の材料が本発明の構造で発振可能な
理由は, この材料が高利得を持つことである。図3は理
論計算により導出したGaN のキャリア濃度 (N) −利得
(max gain)の関係図である。
【0011】図3はキャリア濃度に対するバルクGaN の
利得を示し,従来の材料では約5000 cm-1の利得で飽和
が起きるが,図示されるように, GaN では約25000 cm-1
まで利得の飽和は見られない。これは伝導帯の電子の有
効質量が大きいこと,価電子帯に3つのバンドが近接し
て存在することが原因であり,GaN 固有の非常に新しい
知見である。
【0012】従来構造である共振器の上下に高反射膜を
有するレーザ構造のしきい値利得は2000 cm-1程度であ
るが,高反射膜が片側にしかない本発明の構造では, 発
振するために必要とするしきい値利得は10000 cm-1程度
になると推定できる。
【0013】これに対して,図3に示されるようにGaN
系の材料は超短共振器長による高損失に見合う高利得が
電流の高注入によって得られることが分かったので,こ
の結果を利用して, 本発明ではGaN 系の共振器の上側端
面のみに高反射膜を形成し,下側の端面には高反射膜を
形成しなくても半導体層と基板との界面を高反射膜とし
て用いることで発振できることを確認した。
【0014】すなわち,本発明は共振器にGaN 系材料を
用いることにより,本発明の構造のように高利得の材料
を必要とする構造の面発光レーザにおいても発振が可能
であることを理論的に確認した結果を利用したものであ
る。
【0015】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施の形態1の説
明図である。図において,サファイア基板 1上に,厚さ
2μmのLT (低温成長)-GaN バッファ層 2,厚さ 1μm
のSiドープ(1×1018cm-3) の n-(Al0.1Ga0.9)N 障壁層
3,厚さ 0.1μmのアンドープGaN 活性層(利得生成
層) 4,厚さ 1μmのMgドープ(1×1017cm-3) の p-(Al
0.1Ga0.9)N 障壁層 5を順に成長する。
【0016】次いで, p-(Al0.1Ga0.9)N障壁層の上に上
部端面となる多層誘電体膜からなる高反射膜 6として,
厚さ 30nm の二酸化シリコン(SiO2)膜と厚さ 30nm のア
ルミナ(Al2O3) 膜とを20ペア積層する。
【0017】次いで, 反応性イオンエッチング(RIE) に
より,上記積層膜の一部を活性層の下までエッチングし
て, n-(Al0.1Ga0.9)N障壁層の上に厚さ 100nmのTi膜/
100nmのPt膜/150nm のAu膜からなるn側電極 7を形成
し, p-(Al0.1Ga0.9)N障壁層の上に厚さ 100nmのNi膜/
100nm のPt膜/200nm のAu膜膜からなるp側電極 8を形
成する。
【0018】次いで, サファイア基板を研磨して, レー
ザ光を基板側から取り出す。ここで,共振器は多層誘電
体膜からなる高反射膜 6と,半導体層/基板の界面との
間に形成される。
【0019】また,共振器を構成する材料として,GaN
活性層の代わりにInGaN やAlGaN も使用できる。GaN は
362nmの発光波長を持っているが,Alを加えることによ
り短波長側に,Inを加えることにより長波長側に発光波
長をずらすことができる。
【0020】実施の形態において,サファイア基板を用
いることの利点は,この上にGaN の成長が容易であるこ
と, GaN の発光光に対して透明であること及び比較的安
価であることである。欠点としてはGaN を成長した場合
に劈開が困難であることで,このために本発明のように
劈開の必要のない面発光レーザが有効となる。また,サ
ファイア基板の代わりに炭化珪素基板またはスピネル基
板を用いても同等の効果がある。
【0021】また,実施の形態において,電流狭窄構造
がとられていないのは以下の理由による。GaN は極めて
未開発の材料でまだウエットエッチングの手段が確立さ
れていない等の理由のため,現状では電流狭窄構造の作
製手段が見つかっていないためである。しかしながら,
実施の形態では電流を流すためのp型ドーピング層の濃
度が低く比較的高抵抗であるため電流の広がりは少ない
と考えられる。
【0022】図2は本発明の実施の形態2の説明図であ
る。この例は,図1のレーザの基板側にも誘電体多層膜
による高反射膜 9を設けた例である。これにより,両方
の高反射膜間に第2の共振器を形成し,複合共振器とす
ることによりモードホップが起こりにくくなるため,戻
り光に強くノイズの小さいレーザが得られることが期待
できる。
【0023】この場合, 例えば, 誘電体多層膜による高
反射膜 9の層数を減らして誘電体多層膜による高反射膜
8より反射率を僅かに小さくして,基板側より光を取り
出すようにする。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば, 共振器の下側に高反射
膜として半導体多層膜を成長することが困難であり且つ
高利得を有するGaN 材料に対して,下側の高反射膜を特
に作り込まないで下側高反射膜として半導体層/基板の
界面を用い, 共振器の上部に誘電体積層膜からなる高反
射膜用いて発振可能な面発光レーザが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1の説明図
【図2】 本発明の実施の形態2の説明図
【図3】 GaN のキャリア濃度−利得の関係図
【符号の説明】
1 サファイア基板 2 GaN バッファ層 3 n-(Al0.1Ga0.9)N 障壁層 4 アンドープGaN 活性層(利得生成層) 5 p-(Al0.1Ga0.9)N 障壁層 6 多層誘電体膜からなる高反射膜 (上側) 7 n側電極 8 p側電極 9 多層誘電体膜からなる高反射膜 (基板側)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 垂直共振器面型半導体発光素子であっ
    て,共振器の一方の端面は半導体層の表面または界面で
    あり, 他方の端面には前記一方の端面より高反射率の材
    料からなる光反射膜を有することを特徴とする半導体発
    光素子。
  2. 【請求項2】 垂直共振器面型半導体発光素子であっ
    て,基板上に形成された半導体層からなる共振器の下部
    端面が該半導体層と該基板との界面であり,該共振器の
    上部端面には誘電体多層膜からなる光反射膜が形成され
    ていることを特徴とする半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 垂直共振器面型半導体発光素子であっ
    て,基板上に形成された半導体層からなる共振器の下部
    端面が該半導体層と該基板との界面であり,該共振器の
    上部端面及び該基板の裏面には誘電体多層膜からなる光
    反射膜が形成されていることを特徴とする半導体発光素
    子。
  4. 【請求項4】 前記共振器は,GaN を含む結晶からなる
    ことを特徴とする請求項1または2または3記載の半導
    体発光素子。
  5. 【請求項5】 前記共振器は,利得生成領域である活性
    層がGaN またはAlGaN またはInGaN からなることを特徴
    とする請求項1または2または3または4記載の半導体
    発光素子。
  6. 【請求項6】 前記誘電体多層膜は酸化シリコン膜とア
    ルミナ膜とが交互に積層された多層膜であることを特徴
    とする請求項2または3記載の半導体発光素子。
  7. 【請求項7】 前記共振器は,サファイアまたは炭化珪
    素またはスピネルまたはGaN またはAlN 基板上に形成さ
    れてなることを特徴とする請求項1または2または3ま
    たは4または5記載の半導体発光素子。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003163373A (ja) * 2001-11-26 2003-06-06 Toyoda Gosei Co Ltd Iii族窒化物系化合物半導体発光素子
JP2014192419A (ja) * 2013-03-28 2014-10-06 Toyohashi Univ Of Technology 窒化物半導体発光素子およびその製造方法
EP2381492A3 (en) * 2010-04-23 2014-11-05 LG Innotek Co., Ltd Light emitting device with resonant thickness of one semiconductor layer

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