JPWO2019187809A1 - 垂直共振器型面発光レーザ素子及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光効率が高い垂直共振器型面発光レーザ素子及び電子機器を提供すること。【解決手段】本技術に係る垂直共振器型面発光レーザ素子は、活性層と、第１のクラッド層と、中間層とを具備する。第１のクラッド層は、上記活性層上に設けられている。上記中間層は、上記第１のクラッド層上に設けられ、電子のポテンシャルが上記第１のクラッド層の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが上記第１のクラッド層の正孔のポテンシャルより高い。【選択図】図３

Description

本技術は、半導体レーザ素子である垂直共振器型面発光レーザ素子及び電子機器に関する。
発光波長帯域が６３０〜６９０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系レーザは、光ドライブやコピー機、レーザプリンタ、バーコードリーダ等の情報機器、プラスチック光ファイバ向けの近距離通信用光源、また近年はプロジェクタやディスプレイ等にも使われるようになってきており、用途が広がってきている。そのような用途の広がりに伴い、特性向上はもちろん、小型化やコスト低減等の要求も高まっている。
そのような要求を満たすデバイスの実現に向けて、低閾値でかつ微小体積、劈開が不要でアレイ化も可能であるＡｌＧａＩｎＰ系の垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:ＶＣＳＥＬ)素子の開発が進められている。
一般的なＡｌＧａＩｎＰ系ＶＣＳＥＬ素子では、活性層は赤色帯の発光材料であるＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成される。この活性層は、素子内の光学的膜厚が波長周期（つまり（λ／２の整数倍））に合い、かつ光場が活性層部分で強くなるように設定する必要がある。なお、波長λは媒質内では、媒質の屈折率ｎとすると１／ｎ倍となる。
その活性層の上層と下層には、ｐ型及びｎ型のＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ（ＡｌＡｓはＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ等になる場合もある）の分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）が形成される。ＤＢＲの反射率は９９．９％程度まで高める必要があるため、３０ペア以上の層数が必要となる。
ＡｌＧａＩｎＰによってＤＢＲを形成することも可能であるが、屈折率差をつけにくいことや熱抵抗がＡｌＧａＡｓ層の方が低いことなどから、通常はＡｌＧａＡｓ層が用いられる。
次に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料について説明する。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は６３０〜６９０ｎｍ帯の発光材料として優れている。しかし、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料等に比べ、混晶組成を変えてもΔＥｃ（伝導帯オフセット）を大きくできないという本質的な問題がある（例えば特許文献１参照）。加えて、ＡｌＧａＩｎＰ等の混晶材料では、熱伝導率も小さくなる。
特開２００３−１７８１３号公報
上述のような原因から、ＡｌＧａＩｎＰ系材料の本質的な問題としては、温度上昇によりキャリアのオーバーフローが生じて発光効率が大きく低下するということがある。特に、発光波長を短波長にするとＧａＩｎＰ活性層の厚さを薄くするか活性層をＡｌＧａＩｎＰ層にしなくてならないため、よりΔＥｃが小さくなり、出力が低下してしまう。
ＶＣＳＥＬ構造では特にキャリアオーバーフローの問題は大きくなる。その理由は、微小体積で発光させるためデバイス構造上放熱性が悪くなるためである。これによりＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層を備えるＶＣＳＥＬ素子では、発光波長を短波長にするにしたがって発光強度が大きく落ちていくという問題がある。
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、発光効率が高い垂直共振器型面発光レーザ素子及び電子機器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本技術に係る垂直共振器型面発光レーザ素子は、活性層と、第１のクラッド層と、中間層とを具備する。
第１のクラッド層は、上記活性層上に設けられている。
上記中間層は、上記第１のクラッド層上に設けられ、電子のポテンシャルが上記第１のクラッド層の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが上記第１のクラッド層の正孔のポテンシャルより高い。
この構成によれば、第１のクラッド層より電子及び正孔のポテンシャルが高い中間層によって第１のクラッド層からの電子の流出（キャリアオーバーフロー）が防止され、活性層においてより多くの電子が発光に寄与する。このため、発光効率が向上する。
上記第１のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰからなり、
上記中間層は、ＡｌＧａＩｎＰとは異なる材料であって、ＡｌＧａＩｎＰより電子のポテンシャルが高く、かつＡｌＧａＩｎＰより正孔のポテンシャルが高い材料からなるものであってもよい。
ＡｌＧａＩｎＰは赤色波長帯域のＶＣＳＥＬ素子の材料として好適であるが、温度上昇によりキャリアのオーバーフローが生じて発光効率の低下が生じる。また、ＡｌＧａＩｎＰは混晶組成を変化させてもバンド構造の変化が小さく、キャリアオーバーフローを防止するキャリアブロッキング層として機能させることができない。このため、ＡｌＧａＩｎＰより電子及び正孔のポテンシャルが高い材料からなる中間層をキャリアブロッキング層として機能させることにより、発光効率を向上させることができる。
上記中間層は、ＡｌＧａＩｎＰとは異なるＶ族材料で構成されているものであってもよい。
ＡｌＧａＩｎＰはIII族材料（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）とＶ族材料（Ｐ）からなるが、Ｐ以外のＶ族材料（Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ）を含む材料によって中間層を形成することが可能である。
上記中間層は、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなるものであってもよい。
ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｐ型ドーパントをドープしたＡｌＧａＡｓ）は、Ｃ等の拡散を生じにくいドーパントを容易にドープすることが可能であり、また、ドープによる結晶品質の低下を生じにくい。このため、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる中間層を活性層の近傍に配置しても、ドーパントの移動による発光特性の悪化を防止することが可能である。
上記中間層のｐ型ドーパントはＣであってもよい。
Ｃは拡散を生じにくいドーパントであり、ドーパントの拡散による活性層の発光特性の悪化を防止することが可能となる。
上記ｐ型ドーパントのキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ３以上であってもよい。
ドーパントのキャリア濃度を大きくすると、電子のポテンシャルがより向上する。ＡｌＧａＡｓにＣをドープする場合、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ３以上とすることによってキャリアオーバーフローを防止するために十分な電子のポテンシャルとすることが可能となる。
上記中間層は、上記垂直共振器型面発光レーザ素子内に形成される光場の節に位置してもよい。
中間層が光場の強い位置に存在すると、中間層の高いキャリア濃度によって光のキャリア吸収が生じ、発光効率が低下する。しかしながら、中間層を光場の節することによって光のキャリア吸収を防止することが可能である。
垂直共振器型面発光レーザ素子の発振波長をλとすると、
上記中間層の厚さは、０より大きく０．２５λ以下であってもよい。
中間層が光場の強い位置に存在する場合には、その厚みを小さくすることにより、光のキャリア吸収を抑制することができる。具体的には、中間層の厚さは、０より大きく０．２５λ以下が好適である。
垂直共振器型面発光レーザ素子の発振波長をλとすると、キャビティ長は０．５λ以下であってもよい。
キャビティ長（１対のＤＢＲ層の間隔）が０．５λ以下の場合、ＤＢＲ層を一定以上接近させると活性層に効率よく光を閉じ込めることができなくなるため、ＤＢＲ層を活性層に接近させることができない。しかしながら上記構成においては活性層に接近した位置にキャリアブロッキング層として機能する中間層を設けることが可能であり、より活性層に接近した位置でキャリアオーバーフローを防止することができる。
発振波長は６３０ｎｍ以上６９０ｎｍであってもよい。
発振波長が６３０ｎｍ以上６９０ｎｍ（赤色波長帯域）であるＶＣＳＥＬ素子では、活性層及びクラッド層の材料としてＡｌＧａＩｎＰが用いられるが、上記のようにＡｌＧａＩｎＰはキャリアオーバーフローが生じる材料である。このため、中間層を設けることによって、発光効率が高く赤色光を出射するＶＣＳＥＬ素子を実現することが可能となる。
上記第１のクラッド層は、ｐ型クラッド層であってもよい。
ｐ型のキャリアである電子はｎ型のキャリアである正孔に対して移動度が高く、中間層によってキャリアオーバーフローを防止する必要がある。
上記垂直共振器型面発光レーザ素子は狭窄層をさらに具備し、
上記中間層は、上記第１のクラッド層と上記狭窄層の間に設けられていてもよい。
上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記狭窄層と上記中間層の間に設けられたｐ型クラッド層である第２のクラッド層をさらに具備してもよい。
上記垂直共振器型面発光レーザ素子は
ｎ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
ｐ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
上記ｎ型ＤＢＲ層と上記活性層の間に設けられたｎ型クラッド層とをさらに具備し、
上記狭窄層は、上記ｐ型ＤＢＲ層と上記中間層の間に設けられていてもよい。
上記目的を達成するため、本技術に係る電子機器は、垂直共振器型面発光レーザ素子を具備する。
上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、活性層と、上記活性層上に設けられた第１のクラッド層と、上記第１のクラッド層上に設けられ、電子のポテンシャルが上記第１のクラッド層の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが上記第１のクラッド層の正孔のポテンシャルより高い中間層とを備える。
以上のように、本技術によれば、発光効率が高い垂直共振器型面発光レーザ素子及び電子機器を提供することができる。
一般的なＶＣＳＥＬ素子の構成を示す断面図である。 同ＶＣＳＥＬ素子のバンド構造を示す模式図である。 本技術の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の構成を示す断面図である。 同ＶＣＳＥＬ素子の各層の構成を示す表である。 同ＶＣＳＥＬ素子のバンド構造を示す模式図である。 同ＶＣＳＥＬ素子のバンド構造及びキャリアの移動を示す模式図である。 同ＶＣＳＥＬ素子の、キャリア濃度によるバンド構造の変化を示す模式図である。 同ＶＣＳＥＬ素子の屈折率及び光強度分布を示すグラフである。 同ＶＣＳＥＬ素子の屈折率及び光強度分布と、中間層の形成範囲を示すグラフである。 同ＶＣＳＥＬ素子の、キャビティ長がλ／２である場合のバンド構造を示す模式図である。
［一般的なＶＣＳＥＬ素子の構造及び動作］
本実施形態に係るＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser: 垂直共振器型面発光レーザ）素子との比較として、一般的なＶＣＳＥＬ素子の構造及び動作について説明する。
図１は一般的なＶＣＳＥＬ素子３００の構造を示す模式図である。同図に示すようにＶＣＳＥＬ素子３００は、基板３０１、ｎ−ＤＢＲ層３０２、ｎ−クラッド層３０３、活性層３０４、ｐ−クラッド層３０５、狭窄層３０６、ｐ−ＤＢＲ層３０７、ｎ電極３０８及びｐ電極３０９を備える。
活性層３０４はバンドギャップが小さい量子井戸層と、バンドギャップが大きい障壁層を交互に複数層積層して形成され、量子井戸を形成する。狭窄層３０６には、酸化領域３０６ａと非酸化領域３０６ｂが形成されている。
ｎ電極３０８とｐ電極３０９の間に電圧を印加すると、ｎ電極３０８とｐ電極３０９の間に電流が流れる。電流は狭窄層３０６による狭窄作用を受け、非酸化領域３０６ｂに注入される。
この注入電流によって活性層３０４のうち非酸化領域３０６ｂに近接する領域において自然放出光が生じる。自然放出光はＶＣＳＥＬ素子３００の積層方向（層に垂直方向）に進行し、ｎ−ＤＢＲ層３０２及びｐ−ＤＢＲ層３０７によって反射される。
ｎ−ＤＢＲ層３０２及びｐ−ＤＢＲ層３０７は特定の波長（以下、発振波長）の光を反射するように構成されている。自然放出光のうち発振波長の成分はｎ−ＤＢＲ層３０２及びｐ−ＤＢＲ層３０７の間で定在波を形成し、活性層３０４によって増幅される。
注入電流が閾値を超えると定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ−クラッド層３０５、狭窄層３０６及びｐ−ＤＢＲ層３０７を透過してＶＣＳＥＬ素子３００の積層方向に出射される。
［一般的なＶＣＳＥＬ素子のバンド構造］
図２は、ＶＣＳＥＬ素子３００のバンド構造を示す模式図である。ｎ電極３０８とｐ電極３０９の間に電圧を印加すると電子（図中マイナス）は、ｎ−ＤＢＲ層３０２側（図中左上）から活性層３０４に流入する。正孔（図中プラス）はｐ−ＤＢＲ層３０７側（図中右下）から活性層３０４に流入する。
電子は、活性層３０４の量子井戸層（図中３０４ａ）において励起状態（Ｅｃ）から基底状態（Ｅｖ）に遷移し、正孔との再結合により自然放出光を生じる。
ここで、温度上昇によって電子のｐ−クラッド層３０５への流出（キャリアオーバーフロー、図中Ｆ）が生じると再結合を生じる電子が減少し、光出力が低下する。本技術に係るＶＣＳＥＬ素子は、このキャリアオーバーフローを防止するものである。
［ＶＣＳＥＬ素子の構造］
本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の構造について説明する。図３は、本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００の構造を示す模式図である。また、図４は、ＶＣＳＥＬ素子１００の各層の材料及び膜厚の例を示す表である。なお、以下の説明においてＶＣＳＥＬ素子１００の発振波長をλとして示す。
図３及び図４に示すようにＶＣＳＥＬ素子１００は、基板１０１、ｎ−ＤＢＲ層１０２、ｎ−クラッド層１０３、活性層１０４、第１ｐ−クラッド層１０５、中間層１０６、第２ｐ−クラッド層１０７、狭窄層１０８、ｐ−ＤＢＲ層１０９、ｎ電極１１０及びｐ電極１１１を備える。
なお、第１ｐ−クラッド層１０５と第２ｐ−クラッド層１０７を合わせてｐ−クラッド層１２１とし、第１ｐ−クラッド層１０５、中間層１０６及び第２ｐ−クラッド層１０７を合わせてｐ−クラッド／中間層１２２とする。
基板１０１はＶＣＳＥＬ素子１００の各層を支持する。基板１０１は、例えばｎ−ＧａＡｓ基板とすることができるが他の材料からなるものであってもよい。
ｎ−ＤＢＲ層１０２は、基板１０１上に設けられ、波長λの光を反射するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射鏡）として機能する。ｎ−ＤＢＲ層１０２は、ｐ−ＤＢＲ層１０９と共にレーザ発振のための共振器を構成する。
ｎ−ＤＢＲ層１０２は、第１層と第２層を交互に複数積層したものとすることができる。第１層は例えばｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなり、第２層は例えばｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる層である。これらの材料によって格子整合系で高い屈折率差を得られる。ｎ−ＤＢＲ層１０２の膜厚（層数）は４０〜６０λ程度のペア数が好適である。
ｎ−クラッド層１０３は、ｎ−ＤＢＲ層１０２上に積層され、光及び電流を活性層１０４に閉じ込める層である。ｎ−クラッド層１０３は例えば、第１層１０３ａと第２層１０３ｂを積層したものとすることができる。
第１層１０３ａは例えば、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、第２層１０３ｂは例えば（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる。第１層１０３ａ及び第２層１０３ｂは、非ドーピングであってもよくｎ型ドーピングを行ってもよい。
第１層１０３ａの厚みは例えば０．１〜０．５λ程度、第２層１０３ｂの厚みは例えば０．１〜０．３λ程度である。６３０〜６９０ｎｍ帯はＡｓ系材料では発光させることができないため、Ｐ系材料であるＡｌＧａＩｎＰを用いる必要があり、ｎ−クラッド層１０３においてＡｓ／Ｐの材料を変更する。
また、ｎ−クラッド層１０３は、１層であってもよく、３層以上が積層されたものであってもよい。
活性層１０４は、ｎ−クラッド層１０３上に設けられ、自然放出光の放出及び増幅を行う。活性層１０４は、量子井戸層１０４ａと障壁層１０４ｂを交互に複数層積層したものとすることができる。
量子井戸層１０４ａは例えば（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、障壁層１０４ｂは例えば（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるものとすることができる。量子井戸層１０４ａと障壁層１０４ｂの積層数は特に限定されない。量子井戸層１０４ａの厚みは例えば３〜６ｎｍ程度、障壁層１０４ｂの厚みは例えば５〜１０ｎｍ程度である。
第１ｐ−クラッド層１０５は、活性層１０４上に設けられ、光及び電流を活性層１０４に閉じ込める層である。第１ｐ−クラッド層１０５は例えば（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、厚みは例えば５〜１０ｎｍ程度である。
第１ｐ−クラッド層１０５の材料は、非ドーピングであってもよくｐ型ドーピングを行ってもよい。また、第１ｐ−クラッド層１０５は複数層が積層された層であってもよい。
中間層１０６は、第１ｐ−クラッド層１０５上に設けられている。中間層１０６の機能については後述する。中間層１０６は例えばｐ−ＡｌＧａＡｓからなるものとすることができる。中間層１０６の厚みは例えば１０〜４０ｎｍ程度であり、０．２５λ以下が好適である。
第２ｐ−クラッド層１０７は、中間層１０６上に設けられ、光及び電流を活性層１０４に閉じ込める層である。第２ｐ−クラッド層１０７は例えば、第１層１０７ａと第２層１０７ｂを積層したものとすることができる。
第１層１０７ａは例えば、（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるものとすることができる。第１層１０７ａの厚みは例えば０．１〜０．３λ程度である。
第２層１０７ｂは例えば（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるものとすることができる。第２層１０７ｂの厚みは例えば０．１〜０．５λ程度である。
第１層１０７ａ及び第２層１０７ｂの材料は非ドーピングであってもよくｐ型ドーピングを行ってもよい。また、第２ｐ−クラッド層１０７は、２層が積層されたものに限られず、１層又は３層以上が積層されたものであってもよい。
狭窄層１０８は、第２ｐ−クラッド層１０７上に設けられ、電流に狭窄作用を付与する。狭窄層１０８は、酸化領域１０８ａと非酸化領域１０８ｂを備える。酸化領域１０８ａは例えば酸化されたＡｌＡｓ等からなり、導電性及び屈折率が小さく、光閉じ込め領域として機能する。
非酸化領域１０８ｂは、例えば酸化されていないＡｌＡｓ等からなり、酸化領域１０８ａより導電性が大きく、電流注入領域として機能する。狭窄層１０８の厚みは例えば１０〜４０ｎｍ程度である。
ｐ−ＤＢＲ層１０９は、狭窄層１０８上に設けられ、波長λの光を反射するＤＢＲとして機能する。ｐ−ＤＢＲ層１０９は、ｎ−ＤＢＲ層１０２と共にレーザ発振のための共振器を構成する。
ｐ−ＤＢＲ層１０９は、第１層と第２層を交互に複数積層したものとすることができる。第１層は例えばｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなり、第２層は例えばｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる層である。これらの材料によって格子整合系で高い屈折率差を得られる。ｐ−ＤＢＲ層１０９の膜厚（層数）は２５〜３５λ程度のペア数が好適である。
なお、ｎ−ＤＢＲ層１０２とｐ−ＤＢＲ層１０９の間はキャビティと呼ばれる。図３にキャビティＳを示す。
ｎ電極１１０は、ｎ−ＤＢＲ層１０２上に形成され、ＶＣＳＥＬ素子１００の一方の電極として機能する。ｎ電極１１０は任意の導電性材料からなる。
ｐ電極１１１は、ｐ−ＤＢＲ層１０９上に形成され、ＶＣＳＥＬ素子１００の他方の電極として機能する。ｐ電極１１１は任意の導電性材料からなる。
ＶＣＳＥＬ素子１００は以上のような構成を有する。なお、ＶＣＳＥＬ素子１００には図３においては図示しない絶縁層１１２（図４参照）が設けられる。絶縁層１１２はｎ電極１１０上及びｐ電極１１１上を除いてＶＣＳＥＬ素子１００の表面を被覆する。
絶縁層１１２は例えば、厚み０．２５λのＳｉＯ２からなる第１層１１２ａと、厚み０．２５λのＳｉＮからなる第２層１１２ｂから構成される。
上記ＶＣＳＥＬ素子１００の材料及び膜厚は上述のものに限定されず、後述するバンド構造を実現できるものであればよい。例えば、第２ｐ−クラッド層１０７は必ずしも設けられなくてもよく、ＶＣＳＥＬ素子１００はｐ−クラッド層１２１として第１ｐ−クラッド層１０５のみを有するものであってもよい。
［ＶＣＳＥＬ素子の動作］
ｎ電極１１０とｐ電極１１１の間に電圧を印加すると、ｎ電極１１０とｐ電極１１１の間に電流が流れる。電流は狭窄層１０８による狭窄作用を受け、非酸化領域１０８ｂに注入される。
この注入電流によって活性層１０４うち非酸化領域１０８ｂに近接する領域において自然放出光が生じる。自然放出光はＶＣＳＥＬ素子１００の積層方向（層に垂直方向）に進行し、ｎ−ＤＢＲ層１０２及びｐ−ＤＢＲ層１０９によって反射される。
ｎ−ＤＢＲ層１０２及びｐ−ＤＢＲ層１０９は発振波長λを有する光を反射するように構成されている。自然放出光のうち発振波長λの成分はｎ−ＤＢＲ層１０２及びｐ−ＤＢＲ層１０９の間で定在波を形成し、活性層１０４によって増幅される。
注入電流が閾値を超えると定在波を形成する光がレーザ発振し、第１ｐ−クラッド層１０５、中間層１０６、第２ｐ−クラッド層１０７、狭窄層１０８及びｐ−ＤＢＲ層１０９を透過して出射される。
ここで、ＶＣＳＥＬ素子１００においては中間層１０６によってキャリアオーバーフロー（図２参照）が防止されており、発光効率の向上が実現されている。
［中間層の構成について］
中間層１０６は、電子のポテンシャルがｐ−クラッド層１２１（第１ｐ−クラッド層１０５及び第２ｐ−クラッド層１０７）の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルがｐ−クラッド層１２１の正孔のポテンシャルより高い層である。
図５は、ＶＣＳＥＬ素子１００のバンド構造を示す模式図である。同図に示すようにｐ−クラッド層１２１の電子のポテンシャルＥｃ１より、中間層１０６の電子のポテンシャルＥｃ２は高い。換言すれば、中間層１０６の電子のポテンシャルＥｃ２とｐ−クラッド層１２１の電子のポテンシャルＥｃ１の差であるΔＥｃは正の値となる。
また、同図に示すようにｐ−クラッド層１２１の正孔のポテンシャルＥｖ１より、中間層１０６の電子のポテンシャルＥｖ２は高い。換言すれば、中間層１０６の正孔のポテンシャルＥｖ２とｐ−クラッド層１２１の正孔のポテンシャルＥｖ１の差であるΔＥｖは正の値となる。
なお、第１ｐ−クラッド層１０５と第２ｐ−クラッド層１０７の間で電子及び正孔のポテンシャルが異なる場合、中間層１０６の電子のポテンシャルが第１ｐ−クラッド層１０５の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが第１ｐ−クラッド層１０５の正孔のポテンシャルより高ければよい。
また、第２ｐ−クラッド層１０７は設けられない場合も、中間層１０６の電子のポテンシャル１が第１ｐ−クラッド層１０５の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが第１ｐ−クラッド層１０５の正孔のポテンシャルより高ければよい。
［中間層の機能について］
図６は、中間層１０６の機能を示すバンド構造の模式図である。ｎ電極１１０とｐ電極１１１の間に電圧を印加すると電子（図中マイナス）は、ｎ−ＤＢＲ層１０２側（図中左上）から活性層１０４に流入する。正孔（図中プラス）はｐ−ＤＢＲ層１０９側（図中右下）から活性層１０４に流入する。
電子は、活性層１０４の量子井戸層１０４ａにおいて励起状態（Ｅｃ）から基底状態（Ｅｖ）に遷移し、正孔との再結合により自然放出光を生じる。
電子は、ｐ−クラッド層１２１より高い電子ポテンシャルを有する中間層１０６によって第１ｐ−クラッド層１０５からの流出が妨げられ（図中、矢印Ｇ）、活性層１０４において再結合を生じる。即ち、中間層１０６によって電子の流出（キャリアオーバーフロー）を防止し、発光効率を向上させることができる。なお、正孔は電子より移動度が小さく、キャリアオーバーフローは問題とならない。
［中間層の材料について］
中間層１０６の材料について説明する。中間層１０６は、上記のようにｐ−クラッド層１２１より電子のポテンシャルが高く、ｐクラッド層１２１より正孔のポテンシャルが高い層を形成することが可能な材料からなるものであればよい。
具体的には、中間層１０６の材料として、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｐ型にドーピングしたＡｌＧａＡｓ）が好適であり、ｐ型ドーパントとしてはＣが好適である。
６３０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下の波長帯域を発光波長帯域とするＶＣＳＥＬ素子では、活性層及びクラッド層の材料として主にＡｌＧａＩｎＰ系材料が用いられる。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は発光材料として優れているが、混晶組成を変化させてもΔＥｃを大きくすることができず、キャリアブロッキング層（キャリアオーバーフローを防止する層）を形成することができない。
このため、ｐ型ドーピングによってΔＥｃを向上させることが考えられる。しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系材料のｐ型ドーパントであるＭｇはメモリ効果があり、かつ拡散しやすい材料である。このため、活性層の近傍でＭｇのドーピング濃度を上昇させると、Ｍｇが活性層へ拡散して発光特性が悪化する。
また、ＡｌＧａＩｎＰ系材料のｐ型ドーパントとして、拡散を生じにくいＣを用いることも考えられる。しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰがＡｌとＩｎという結合力が大きく異なる材料からなるため、Ｃドープによる結晶品質の低下や組成ズレ等が生じる。
ここで、ＡｌＧａＡｓはＣドープによる結晶品質低下が生じない材料である。このため、Ｃをドープしたｐ−ＡｌＧａＡｓからなる中間層１０６をｐクラッド層１２１に挿入することにより、ΔＥｃを大きくしてキャリアオーバーフローを防止し（図６参照）かつ、ドーパントの移動による発光特性の悪化を防止することが可能となる。
ＡｌＧａＡｓへのＣドープは、オートドーピング（成膜と同時進行のドーピング）又はＣＢｒ４をドーピングガスとするドーピングによって容易に行うことが可能である。
以上により中間層１０６の材料として、ｐ−ＡｌＧａＡｓが好適であり、ｐ型ドーパントとしてはＣが好適である。なお、第１ｐ−クラッド層１０５が（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる場合、図５のバンド構造とするためには、ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌの組成は０．３以上が好適である。
また、ＡｌＧａＡｓのｐ型ドーパントはＣに限られず、活性層１０４への拡散を生じず、ＡｌＧａＡｓをｐ型とすることが可能なものであればよい。
さらに、中間層１０６の材料はｐ−ＡｌＧａＡｓには限られず、ＡｌＧａＩｎＰとは異なる材料であって、ＡｌＧａＩｎＰより電子のポテンシャルが高く、かつＡｌＧａＩｎＰより正孔のポテンシャルが高い材料であればよい。
例えば、中間層１０６の材料として、ＡｌＧａＩｎＰとは異なるＶ族（１５族）材料を含む材料を用いることも可能である。即ち、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎはIII族であり、ＰはＶ族であるため、Ｐ以外のＶ族元素（Ｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ）を含む材料とすることができる。
このような材料としては、例えばＡｌＧａＩｎＡｓＮ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＢｉ、ＡｌＧａＡｓＮ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ又はＡｌＧａＡｓＢｉ等が挙げられる。
［中間層のキャリア濃度について］
中間層１０６におけるｐ型ドーパントのキャリア濃度（ドーピング濃度）によって中間層１０６のポテンシャルは変化する。
図７は、ｐ型ドーパントのキャリア濃度とポテンシャルの変化を示すバンド構造の模式図である。同図に示すように、ドーパントのキャリア濃度が増加すると、中間層１０６の電子及び正孔のポテンシャルが増大する。
例えば、中間層１０６がｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなり、ドーパントがＣの場合、キャリアオーバーフローを防止するためにはキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ３以上が好適である。
［中間層の位置について］
中間層１０６は上記のように、第１ｐ−クラッド層１０５と第２ｐ−クラッド層１０７の間に設けられる。また、第２ｐ−クラッド層１０７は必ずしも設けられなくてもよく、この場合、中間層１０６は第１ｐ−クラッド層１０５と狭窄層１０８の間に設けられる。
ここで、中間層１０６によるキャリアオーバーフローの防止効果を得るためには、中間層１０６をできるかぎり活性層１０４に近い位置に設けることが望ましい。
一方、中間層１０６が光場と重なると、中間層１０６の高いキャリア濃度によってキャリア吸収が生じ、損失が増加する。ＶＣＳＥＬ素子では光場の弱い部分（光場の節）がクラッド内にあるように設計することが可能であるため、中間層１０６が活性層１０４の近傍かつ光場の節に位置するように設計すると好適である。
図８は、ＶＣＳＥＬ素子１００における屈折率と光強度分布を示すグラフであり、８（ａ）は、ＶＣＳＥＬ素子１００の全体のグラフ、図８（ｂ）は活性層１０４の近傍を拡大したグラフである。同図に示すように、光場の腹（グラフの極値）の間が光場の節であり中間層１０６をこの光場の節に設けることで、中間層１０６によるキャリア吸収を防止することができる。
なお、図８はキャビティＳ（図３参照）の長さ（以下、キャビティ長）が１．５λと長い場合の構造である。この場合ｐ−クラッド層の膜厚が厚くなるため、通常、キャリアオーバーフローによる出力低下が生じやすいが、中間層１０６を設けることにより、キャリアオーバーフローを防止することが可能である。
［本技術の特徴について］
本技術の特徴としては以下の点を挙げることができる。
１）活性層及びクラッド層の材料（例えばＡｌＧａＩｎＰ）とは異なる材料（例えばｐ−ＡｌＧａＡｓ）によってキャリアブロック層として機能する中間層を形成する。
２）活性層に拡散が生じにくい不純物（例えばＣ）をドープして活性層近傍にキャリアブロック層として機能する中間層を形成する。
３）ＶＣＳＥＬ素子の光場の節に不純物をドープした中間層を配置してキャリア吸収を抑制する。
４）中間層の厚みを１０〜２０ｎｍ程度と薄くする。
なお、上記特徴のうち３）と４）はＶＣＳＥＬ素子１００の構造によって調整することが可能である。
例えば、中間層１０６は必ずしも光場の節に設けられなくてもよい。図９は、中間層１０６の挿入位置を示す模式図であり、ＶＣＳＥＬ素子１００における屈折率と光強度分布を示すグラフである。同図に示すように、中間層１０６は、活性層１０４と狭窄層１０８の間（図中、Ｌ）に設けることが可能である。
中間層１０６を光場の強い位置に配置する場合、中間層１０６の厚みを薄くすることでキャリア吸収を抑制することが可能である。具体的には中間層１０６の厚みは０より大きく０．２５λ以下が好適である。
また、キャビティ内に光場の節が存在しない、キャビティ長が０．５λ以下の構造にも本技術を適用することが可能である。図１０は、キャビティ長が０．５λ（λ／２）のＶＣＳＥＬ素子１００のバンド構造及び光強度分布を示す模式図であり、光強度分布を破線で示す。同図に示すように、キャビティＳ内には光場の節が存在しない。
一般に、キャビティ長が０．５λ以下の場合、ｐ−ＤＢＲ層を活性層に一定以上接近させると活性層に効率よく光を閉じ込めることができなくなる。このため、キャリアブロッキング層として機能するｐ−ＤＢＲ層を活性層に接近させることができない。
例えば、キャビティ長が０．５λの場合、ＶＣＳＥＬ素子の発振波長が６５０ｎｍとすると、キャビティ長は１００ｎｍ程度となり、ｐ−クラッド層は４０ｎｍ程度の厚さとなる。この場合、４０ｎｍ以上キャリアブロッキング層（ｐ−ＤＢＲ層）を活性層に接近させることができない。
しかしながら、本技術においては、活性層１０４に接近した位置にキャリアブロッキング層として機能する中間層１０６を設けることが可能であり、より活性層１０４に接近した位置でキャリアオーバーフローを防止することができ、効果的に高出力化が可能である。
中間層１０６の厚さは薄い方がキャリア吸収が小さいため、キャビティＳ内に光場の節がない場合にも中間層１０６を薄膜化することでキャリア吸収による出力低下を防止することができる。本技術に係る中間層１０６は１０ｎｍ程度の厚さであっても有効に機能する。
また、上記のように、中間層１０６において拡散を生じないＣをドープすることにより、中間層１０６を活性層１０４に接近させても活性層１０４への不純物拡散を防止することが可能である。
［本技術の効果］
以下に本技術による効果を説明する。
本技術ではキャリアオーバーフローを抑制することにより、出力特性の向上及び温度上昇時の出力低下を抑制することができる。一般にＶＣＳＥＬ素子は体積が微小であり、放熱性が小さいため、温度上昇によるキャリアオーバーフローが生じやすいが、それを効果的に抑制することが可能である。
また、本技術では、中間層のドーパントの拡散を防止し、活性層及びクラッド層の組成ズレや結晶品質低下を防止することができる。活性層及びクラッド層の材料として一般的なＡｌＧａＩｎＰは拡散を生じにくいドーパント（例えばＣ）をドープすることが困難である。
本技術では、中間層としてＡｌＧａＩｎＰとは異なる材料（例えばＡｌＧａＡｓ）を用いることにより、Ｃ等のドーパントをドープし、中間層のドーパントの拡散を防止することが可能である。
また、ＡｌＧａＩｎＰのｐ型ドーパントとしては通常ＺｎやＭｇが用いられるが、これらは拡散又はメモリ効果により活性層に導入されると発光効率を低下させる。中間層としてＡｌＧａＡｓにＣをドープした材料を用いることにより、Ｃはメモリ効果や拡散が生じにくいため、中間層を活性層近傍に配置しても発光効率の低下を防止することが可能である。
さらに、ＡｌＧａＡｓにおいてドーピング濃度を増やすと、バンド構造においてバンドが高準位側にシフトするため、電子に対してブロック効果を持つようになる。キャリア濃度が１０１８ｃｍ３を超えると、電子が効果的にブロックできるようになる。キャリア濃度を増やすことにより、信頼性及びキャリア吸収のバランスを取り、最適化することが可能である。
また、ＶＣＳＥＬ素子では、キャビティ内に光場の節が位置するような設計ができる。その節の部分にキャリア濃度が高い中間層を配置することで、光のキャリア吸収を抑制することが可能となる。
また、光場の節に中間層を配置できない場合でも、中間層の厚みを１０ｎｍ程度と薄くすることにより、光場の節に中間層を配置する場合に比べると効果は小さいものの、キャリアオーバーフローの抑制効果を得ることが可能である。
さらに、中間層としてＡｌＧａＡｓを用いる場合、ＡｌＧａＡｓの熱伝導性はＡｌＧａＩｎＰに比べて高い。このため、活性層近傍の熱抵抗を改善することが可能である。これは特に中間層を厚くした場合に効果が大きい。
なお、一般的なＶＣＳＥＬ素子の構造（図１参照）において、狭窄層３０６を活性層３０４に接近させることによってキャリアオーバーフローを防止することが可能である。しかしながら、一般に狭窄層３０６はＡｌＡｓからなり、酸化によって酸化領域３０６ａはＡｌＯｘとなる。
これにより格子定数が大きく変化するため、製造時にエピタキシャル層内に大きな歪みが生じ、狭窄層３０６を活性層３０４に接近させるとＶＣＳＥＬ素子の信頼性が低下する。
これに対してＶＣＳＥＬ素子１００では狭窄層１０８とは別に中間層１０６を導入し、キャリアオーバーフローを防止するものである。狭窄層１０８の電流狭窄による低閾値化と共に、キャリアオーバーフローを抑えることによる高出力化の両立が可能である。
即ち、ＶＣＳＥＬ素子１００では、信頼性低下をもたらす結晶品質の低下を防止しながらキャリアオーバーフローによる出力低下を抑制することが可能である。
［応用例について］
本技術に係るＶＣＳＥＬ素子１００は、主に６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色波長帯域を発光波長帯域とするＶＣＳＥＬ素子であり、高速データリンク用の光源、ディスプレイ及びプロジェクタ等の表示デバイス、レーザプリンタ光源、光メモリ等の各種電子機器に利用することが可能である。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
活性層と、
上記活性層上に設けられた第１のクラッド層と、
上記第１のクラッド層上に設けられ、電子のポテンシャルが上記第１のクラッド層の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが上記第１のクラッド層の正孔のポテンシャルより高い中間層と
を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
（２）
上記（１）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記第１のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰからなり、
上記中間層は、ＡｌＧａＩｎＰとは異なる材料であって、ＡｌＧａＩｎＰより電子のポテンシャルが高く、かつＡｌＧａＩｎＰより正孔のポテンシャルが高い材料からなる
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（３）
上記（２）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記中間層は、ＡｌＧａＩｎＰとは異なるＶ族材料で構成されている
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（４）
上記（３）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記中間層は、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（５）
上記（４）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記中間層のｐ型ドーパントはＣである
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（６）
上記（５）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記ｐ型ドーパントのキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ３以上である
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（７）
上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記中間層は、上記垂直共振器型面発光レーザ素子内に形成される光場の節に位置する
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（８）
上記（１）から（７）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
垂直共振器型面発光レーザ素子の発振波長をλとすると、
上記中間層の厚さは、０より大きく０．２５λ以下である
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（９）
上記（１）から（８）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
垂直共振器型面発光レーザ素子の発振波長をλとすると、
キャビティ長は０．５λ以下である
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（１０）
上記（１）から（９）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
発振波長は６３０ｎｍ以上６９０ｎｍである
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（１１）
上記（１）から（１０）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記第１のクラッド層は、ｐ型クラッド層である
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（１２）
上記（１１）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
狭窄層をさらに具備し、
上記中間層は、上記第１のクラッド層と上記狭窄層の間に設けられている
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（１３）
上記（１２）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
上記狭窄層と上記中間層の間に設けられた、ｐ型クラッド層である第２のクラッド層
をさらに具備する
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（１４）
上記（１２）又は（１４）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
ｎ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
ｐ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
上記ｎ型ＤＢＲ層と上記活性層の間に設けられたｎ型クラッド層とをさらに具備し、
上記狭窄層は、上記ｐ型ＤＢＲ層と上記中間層の間に設けられている
垂直共振器型面発光レーザ素子。
（１５）
活性層と、上記活性層上に設けられた第１のクラッド層と、上記第１のクラッド層上に設けられ、電子のポテンシャルが上記第１のクラッド層の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが上記第１のクラッド層の正孔のポテンシャルより高い中間層とを備える垂直共振器型面発光レーザ素子
を具備する電子機器。
１００…ＶＣＳＥＬ素子
１０１…基板
１０２…ｎ−ＤＢＲ層
１０３…ｎ−クラッド層
１０４…活性層
１０５…第１ｐ−クラッド層
１０６…中間層
１０７…第２ｐ−クラッド層
１０８…狭窄層
１０９…ｐ−ＤＢＲ層
１１０…ｎ−電極
１１１…ｐ−電極

Claims (15)

  1. 活性層と、
    前記活性層上に設けられた第１のクラッド層と、
    前記第１のクラッド層上に設けられ、電子のポテンシャルが前記第１のクラッド層の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが前記第１のクラッド層の正孔のポテンシャルより高い中間層と
    を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
  2. 請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記第１のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰからなり、
    前記中間層は、ＡｌＧａＩｎＰとは異なる材料であって、ＡｌＧａＩｎＰより電子のポテンシャルが高く、かつＡｌＧａＩｎＰより正孔のポテンシャルが高い材料からなる
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  3. 請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記中間層は、ＡｌＧａＩｎＰとは異なるＶ族材料で構成されている
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  4. 請求項３に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記中間層は、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  5. 請求項４に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記中間層のｐ型ドーパントはＣである
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  6. 請求項５に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記ｐ型ドーパントのキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ３以上である
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  7. 請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記中間層は、前記垂直共振器型面発光レーザ素子内に形成される光場の節に位置する
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  8. 請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    垂直共振器型面発光レーザ素子の発振波長をλとすると、
    前記中間層の厚さは、０より大きく０．２５λ以下である
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  9. 請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    垂直共振器型面発光レーザ素子の発振波長をλとすると、
    キャビティ長は０．５λ以下である
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  10. 請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    発振波長は６３０ｎｍ以上６９０ｎｍである
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  11. 請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記第１のクラッド層は、ｐ型クラッド層である
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  12. 請求項１１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    狭窄層をさらに具備し、
    前記中間層は、前記第１のクラッド層と前記狭窄層の間に設けられている
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  13. 請求項１２に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    前記狭窄層と前記中間層の間に設けられた、ｐ型クラッド層である第２のクラッド層
    をさらに具備する
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  14. 請求項１２又は１３に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    ｎ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
    ｐ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
    前記ｎ型ＤＢＲ層と前記活性層の間に設けられたｎ型クラッド層とをさらに具備し、
    前記狭窄層は、前記ｐ型ＤＢＲ層と前記中間層の間に設けられている
    垂直共振器型面発光レーザ素子。
  15. 活性層と、前記活性層上に設けられた第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に設けられ、電子のポテンシャルが前記第１のクラッド層の電子のポテンシャルより高く、かつ正孔のポテンシャルが前記第１のクラッド層の正孔のポテンシャルより高い中間層とを備える垂直共振器型面発光レーザ素子
    を具備する電子機器。
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