WO2013118358A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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WO2013118358A1
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electrode
layer
photonic crystal
opening
axis
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PCT/JP2012/078869
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野田　進
黒坂　剛孝
明佳 渡邉
和義 廣瀬
貴浩 杉山
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国立大学法人京都大学
浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device.
  • Patent Document 1 discloses a surface emitting laser light source having a two-dimensional photonic crystal structure.
  • the surface-emitting laser light source of Patent Document 1 includes a window-like electrode in which an opening not including an electrode material is formed, an active layer, and a rectangular back electrode having a smaller area than the opening of the window-like electrode.
  • the window-like electrode is provided on the light emitting side of the element substrate.
  • the back electrode is provided on the mounting surface on the opposite side of the window electrode. Current is supplied to the active layer from the window electrode and the back electrode.
  • the distance between the back electrode and the active layer is smaller than the distance between the element substrate and the active layer, and the current injection range into the active layer corresponds to the size of the back electrode.
  • the inventor has found that a very weak noise pattern exists in the peripheral portion of the beam light emitted in the direction perpendicular to the plane (non-patent). Reference 1).
  • This noise pattern is generated when light in the oscillation state is subjected to inelastic scattering due to disturbance of the photonic crystal and is diffracted by the photonic crystal.
  • the inventor leaks light corresponding to the noise pattern (hereinafter referred to as noise light) outside the current injection region, that is, in a region where no light emission occurs. I found that.
  • This noise light is a problem because, for example, when the optical interconnection is composed of multiple channels, it can cause crosstalk to adjacent channels. Further, it is presumed that the light generated around the back electrode is noise light. However, if the area of the opening is made larger than the area of the back electrode as in Patent Document 1, the emitted noise light increases. On the other hand, if the area of the back electrode is made larger than the area of the opening, there is a problem that sufficient light output cannot be obtained.
  • An object of the present invention has been made in view of the above problems, and for example, to provide a semiconductor light emitting device capable of obtaining a sufficient light output and suppressing emission of noise light by a photonic crystal.
  • a semiconductor light-emitting device includes a first electrode, a group III-V compound semiconductor semiconductor portion, and a second electrode, and the semiconductor portion includes the first electrode and the second electrode.
  • the semiconductor unit includes an active layer and a photonic crystal layer, and the photonic crystal layer is provided between the active layer and the first electrode, and the active layer. Between the active layer and the first electrode, and between the active layer and the second electrode are mutually conductive. The types are different, the first electrode has an opening, and the first electrode, the active layer, the photonic crystal layer, and the second electrode are stacked along a reference axis.
  • the reference axis passes through a central portion of the opening as viewed from the axial direction of the reference axis, and the second electrode And a first end located in a first direction as viewed from the axial direction of the reference axis, and a second end located in a second direction opposite to the first direction.
  • the opening has a third end located in the first direction when viewed from the axial direction of the reference axis, and a fourth end located in the second direction.
  • the first end of the second electrode and the third end of the opening substantially coincide with each other when viewed from the axial direction of the reference axis.
  • the end of the second electrode and the end of the opening are substantially coincident when viewed from the axial direction of the reference axis. For this reason, only the noise light located in the vicinity of the outer periphery of the opening is blocked by the first electrode. Therefore, sufficient light output can be obtained and emission of noise light from the photonic crystal can be suppressed.
  • a semiconductor light emitting device includes a first electrode, a group III-V compound semiconductor semiconductor portion, and a second electrode, and the semiconductor portion includes the first electrode.
  • the second electrode, and the semiconductor part has an active layer and a photonic crystal layer, and the photonic crystal layer is between the active layer and the first electrode, and Provided between the active layer and the second electrode, between the active layer and the first electrode, and between the active layer and the second electrode.
  • the first electrode has an opening, and the minimum value of the intensity of light output from the active layer and the photonic crystal layer and reaching the opening is: The maximum value of the intensity of light output from the active layer and the photonic crystal layer and reaching the opening. Not less than% of (satisfy 10 ⁇ A ⁇ 30).
  • the light transmission intensity of the first electrode decreases as the distance from the outer periphery of the opening portion increases. Therefore, since it is possible to reduce the transmission intensity of noise light at the outer edge portion of the opening, emission of noise light by the photonic crystal can be suppressed. In addition, it is possible to suppress the occurrence of side lobes that occur due to abrupt changes in light intensity.
  • the semiconductor light emitting device includes a DBR layer, the DBR layer is provided on the reference axis, and the DBR layer includes the first electrode and the photonic crystal. It is provided at any position between the layer and between the second electrode and the photonic crystal layer.
  • the DBR layer it is possible to make a difference in the intensity of light emitted in the reference axis direction and the other directions. While the original light output is output along the reference axis direction, the noise light is mainly output in a direction away from the reference axis, so that noise light emitted in directions other than the reference axis direction is emitted. Can be suppressed.
  • the semiconductor light-emitting device includes a first DBR layer and a second DBR layer, and the first DBR layer includes the first electrode and the photonic crystal. And the second DBR layer is provided between the second electrode and the photonic crystal layer. Therefore, by providing the DBR layer, it is possible to make a difference in the intensity of light emitted in the reference axis direction and other directions. While the original light output is output along the reference axis direction, the noise light is mainly output in a direction away from the reference axis, so that noise light emitted in directions other than the reference axis direction is emitted. Can be suppressed.
  • the semiconductor light emitting device for example, sufficient light output can be obtained and emission of noise light from the photonic crystal can be suppressed.
  • the semiconductor light emitting device 10 of the first embodiment is a so-called edge-emitting photonic crystal laser device.
  • the laser light emission surface is positioned parallel to the YZ plane.
  • This X axis corresponds to the reference axis.
  • Laser light LA is emitted from the semiconductor light emitting element 10 along the X-axis direction.
  • the semiconductor light emitting device 10 includes an N clad layer 2, an active layer 3, a photonic crystal layer 4, a P clad layer 5, a contact layer 6 and an electrode 9 along the X axis from the semiconductor substrate 1. It is prepared sequentially. In the following, it is assumed that the origin of the XYZ orthogonal coordinate system is set inside the semiconductor substrate 1, the direction in which the N clad layer 2 is provided with respect to the semiconductor substrate 1 is the X-axis positive direction, and the right direction in FIG. The description will be made assuming that the Y-axis positive direction and the depth direction in FIG. 1 are the Z-axis positive direction.
  • An antireflection film 7 and an electrode 8 are provided on the X-axis negative direction side of the semiconductor substrate 1.
  • the conductivity type between the active layer 3 and the electrode 8 is N-type, and the conductivity type between the active layer 3 and the electrode 9 is P-type.
  • the semiconductor substrate 1, the N clad layer 2, the active layer 3, the photonic crystal layer 4, the P clad layer 5, the contact layer 6 and the electrode 9 are arranged on the X axis.
  • the semiconductor substrate 1, the N clad layer 2, the active layer 3, the photonic crystal layer 4, the P clad layer 5, and the contact layer 6 are III-V group compound semiconductor semiconductor portions. This semiconductor portion is provided between the electrode 8 and the electrode 9.
  • the electrode 8, the active layer 3, the photonic crystal layer 4 and the electrode 9 are stacked along the X axis which is a reference axis.
  • the semiconductor substrate 1 has a rectangular parallelepiped shape.
  • the material of the semiconductor substrate 1 is, for example, GaAs.
  • the thickness of the semiconductor substrate 1 is, for example, not less than 80 ⁇ m and not more than 350 ⁇ m.
  • the N clad layer 2 is formed on the X axis positive direction side of the semiconductor substrate 1.
  • the material of the N clad layer 2 is, for example, AlGaAs.
  • the thickness of the N clad layer 2 is, for example, not less than 1.0 ⁇ m and not more than 3.0 ⁇ m.
  • the active layer 3 supplies light to the photonic crystal layer 4.
  • the active layer 3 is located between the N clad layer 2 and the photonic crystal layer 4.
  • the active layer 3 is made of, for example, a quantum well layer.
  • the active layer 3 has a laminated structure of AlGaAs and InGaAs.
  • the thickness of the active layer 3 is, for example, 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the photonic crystal layer 4 is provided to obtain stable oscillation.
  • the photonic crystal layer 4 generates laser light by light resonance.
  • the photonic crystal layer 4 determines the wavelength of the resonating laser beam.
  • the photonic crystal layer 4 is located between the active layer 3 and the P clad layer 5.
  • the material of the photonic crystal layer 4 is, for example, GaAs and AlGaAs.
  • the thickness of the photonic crystal layer 4 is not less than 100 nm and not more than 400 nm, for example.
  • the photonic crystal layer 4 is generated, for example, by periodically forming a plurality of holes in a basic layer 4a made of GaAs and growing a buried layer 4b made of AlGaAs in the holes.
  • the crystal pattern of the photonic crystal layer 4 can be embedded with the same material as that of the P clad layer 5, for example, or a structure in which air is held inside can be used.
  • the P clad layer 5 is provided on the X-axis positive direction side of the photonic crystal layer 4.
  • the material of the P clad layer 5 is, for example, P-type AlGaAs.
  • the thickness of the P clad layer 5 is not less than 1.0 ⁇ m and not more than 3.0 ⁇ m, for example.
  • the contact layer 6 is provided on the X-axis positive direction side of the P clad layer 5.
  • the material of the contact layer 6 is, for example, GaAs.
  • the contact layer 6 has a thickness of, for example, 50 nm or more and 500 nm or less.
  • An insulating layer F such as SiO 2 or SiNx is provided on the contact layer 6 as necessary.
  • the antireflection film 7 is provided on the X-axis negative direction side of the semiconductor substrate 1.
  • the material of the antireflection film 7 is, for example, SiN.
  • the electrode 8 is provided on the X-axis negative direction side of the semiconductor substrate 1.
  • the electrode 8 is provided in a portion where the antireflection film 7 does not exist.
  • the shape of the electrode 8 is, for example, a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the surface shape of the electrode 8 is, for example, a square as shown in FIG.
  • the distance from the electrode 8 to the active layer 3 is, for example, 100 ⁇ m.
  • a material of the electrode 8 for example, a metal such as Au, Ge, Ni, or an alloy thereof can be used.
  • the electrode 8 has an opening 8a.
  • the opening 8a is disposed on the X axis.
  • the shape of the opening 8a is a square.
  • the length of one side of the opening 8a is L2.
  • the distance between the end of the semiconductor light emitting element 10 on the Z axis positive direction side and the end of the opening 8a on the Z axis positive direction side is ZF3
  • the end of the semiconductor light emitting element 10 on the Z axis negative direction side ZB3 is the distance between the end of the opening 8a and the end of the opening 8a on the negative side of the Z axis
  • the distance between the end of the semiconductor light emitting element 10 on the negative side of the Y axis and the end of the opening 8a on the negative side of the Y axis is the distance between the end of the semiconductor light emitting element 10 on the negative side of the Y axis and the end of the opening 8a on the negative side of the Y axis.
  • the opening 8a has an end 8e1 (third end) located in the negative Y-axis direction (first direction) as viewed from the X-axis and a positive Y-axis direction (second direction) that is the opposite direction. And an end portion 8e2 (fourth end portion) located at the end.
  • the shape of the surface of the electrode 8 and the opening part 8a is not square but can be another shape such as a rectangle, a circle, or a hexagon.
  • the electrode 8 has a central portion 8a2. The distance from the central portion 8a2 to each side of the electrode 8 is almost the same.
  • the electrode 9 is provided on the X axis positive direction side of the contact layer 6.
  • the shape of the electrode 9 is, for example, a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the electrode 9 is provided in an opening formed in the insulating layer F.
  • a metal such as Au, Cr, Ti or the like can be used like the electrode 8.
  • the distance between the end of the semiconductor light emitting element 10 on the negative side of the Z axis and the end of the electrode 9 on the negative side of the Z axis is ZF1
  • the positive direction of the semiconductor light emitting element 10 in the Z axis ZB1 the distance between the end on the Z axis positive direction side of the electrode 9 and the end on the Y axis positive direction side of the semiconductor light emitting element 10 and the end on the Y axis positive direction side of the electrode 9 Is YR1
  • the distance between the end of the semiconductor light emitting element 10 on the Y-axis negative direction side and the end of the electrode 9 on the Y-axis negative direction side is YL1,
  • the electrode 9 has a contact surface 9a on the X axis negative direction side.
  • the contact surface 9 a is a surface for contacting the contact layer 6.
  • the shape of the contact surface 9a is a square.
  • the length of one side of the contact surface 9a is L1. Further, for example, the distance between the end of the semiconductor light emitting element 10 on the negative side of the Z axis and the end of the contact surface 9a on the negative side of the Z axis is ZF2, and the end of the semiconductor light emitting element 10 is in contact with the end of the positive side of the Z axis.
  • the distance between the end of the surface 9a on the Z-axis positive direction side is ZB2
  • the distance between the end of the semiconductor light emitting element 10 on the Y-axis positive direction side and the end of the contact surface 9a on the Y-axis positive direction side is YR2
  • the semiconductor Assuming that the distance between the end of the light emitting element 10 on the Y axis negative direction side and the end of the contact surface 9a on the Y axis negative direction side is YL2,
  • the electrode 9 has an end 9e1 (first end) located in the negative Y-axis direction when viewed from the X-axis axial direction and an end 9e2 (second end) located in the positive Y-axis direction. Have.
  • the electrode 9 has a central portion 9a2. The distances from the central portion 9a2 to each side of the electrode 9 are all substantially the same.
  • the distance from the electrode 9 to the active layer 3 is very small compared to the distance from the electrode 8 to the active layer 3, for example, several ⁇ m.
  • the injection range of the power source to the active layer 3 corresponds to the contact surface 9a.
  • the shape of the contact surface 9a may not be a square, and can be any shape as long as it is the same as the opening 8a.
  • the X axis passes through the central portion 8a2 (see FIG. 2) of the opening 8a in the YZ plane orthogonal to the direction in which the electrode 8, the active layer 3, the photonic crystal layer 4 and the electrode 9 are stacked. .
  • the operation of the semiconductor light emitting device 10 configured as described above will be briefly described.
  • a driving voltage is applied between the electrode 8 and the electrode 9 and a current is passed, carriers are concentrated in the active layer 3.
  • light is emitted by recombination of electrons and holes.
  • This light emission is resonated by the photonic crystal layer 4 in the core layer from the N clad layer 2 to the P clad layer 5 to generate laser light LA.
  • the laser beam LA is emitted to the outside of the semiconductor light emitting element 10 from the opening 8a.
  • Non-Patent Document 1 a very weak noise pattern exists in the peripheral portion of the laser light emitted in the X-axis direction (for example, Non-Patent Document 1). reference).
  • This noise pattern is generated when light in the oscillation state is subjected to inelastic scattering due to disturbance of the photonic crystal and is diffracted by the photonic crystal.
  • the semiconductor light emitting device in which this noise pattern occurs it has been discovered that noise light corresponding to this noise pattern leaks outside the current injection region, that is, in a region where no light emission occurs. This noise light is a problem because, for example, when the optical interconnection is composed of multiple channels, it can cause crosstalk to adjacent channels.
  • the outer periphery 8a1 of the opening 8a of the electrode 8 and the outer periphery 9a1 of the contact surface 9a of the electrode 9 are substantially coincident with each other in the YZ plane orthogonal to the X axis.
  • L2 L1 ⁇ ⁇ L.
  • the value of ⁇ L can be an absolute value such as several ⁇ m, or can be a relative value such as 1% of the length L2 of one side of the opening 8a. Further, for example, as shown in the graph of FIG. 4, the intensity distribution of the light reaching the opening 8a becomes smaller as the central portion 8a2 of the opening 8a in the YZ plane is at most away from the central portion 8a2 and goes toward the outer periphery 8a1. In this case, a portion where the light intensity is equal to or less than a reference value (for example, 20% of the maximum value) can be set as ⁇ L. Thus, the value of ⁇ L is set so that noise light does not exit from the opening 8a.
  • a reference value for example, 20% of the maximum value
  • the end 9e1 of the electrode 9 and the end 8e1 of the opening 8a substantially coincide with each other when viewed from the axial direction of the X axis. Therefore, the noise light existing on the outer periphery 9 a 1 of the electrode 9 is blocked at the portion located outside the opening 8 a of the electrode 8. Therefore, the noise light is not emitted from the opening 8a, so that the above problem is solved.
  • the minimum value of the intensity of the light that is output from the active layer 3 and the photonic crystal layer 4 and reaches the opening 8a is the light intensity that is output from the active layer 3 and the photonic crystal layer 4 and reaches the opening 8a. It does not fall below A% of the maximum value of the strength (10 ⁇ A ⁇ 30 is satisfied). If the intensity of light reaching the opening 8a has a distribution as shown in the graph of FIG. 4, for example, the intensity of light reaching the outer periphery 8a1 does not fall below 20% of the intensity of light reaching the center 8a2. It is like that.
  • the minimum value of the light intensity reaching the opening 8a to 20% or more, for example, weak noise light existing on the outer periphery 8a1 of the opening 8a does not pass through the opening 8a. Therefore, emission of noise light to the outside of the semiconductor light emitting element 10 can be suppressed.
  • the light transmission intensity of the electrode 8 decreases as the distance from the outer periphery of the opening 8a increases.
  • the light transmission intensity of the electrode 8 is continuously reduced by, for example, an absorption ND filter.
  • the transmittance is decreased as the distance from the outer periphery 8a1 of the opening 8a is changed by continuously changing the concentration of the thin film of the ND filter, for example, at the outer periphery 8a1 of the opening 8a. ing.
  • emission of noise light at the outer periphery 8a1 of the opening 8a can be suppressed.
  • the transmittance can be changed stepwise instead of continuously.
  • a reflection type ND filter may be used instead of the absorption type ND filter.
  • the reflective ND filter for example, a metal thin film such as chromium deposited by vapor deposition so that the concentration changes can be used, and the opening of the electrode 9 can be vapor deposited so that the concentration changes. What is formed can also be used.
  • an example of a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS.
  • a semiconductor substrate 1 made of GaAs using an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method or the like, an N clad layer 2 made of AlGaAs, an active layer 3 made of a laminated structure of AlGaAs and InGaAs, and a basic layer 4a made of GaAs are sequentially epitaxially grown (part (a) of FIG. 5).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • a mask layer FL1 made of SiN is formed on the basic layer 4a by plasma CVD, and a resist RG1 is applied on the mask layer FL1 (part (b) of FIG. 5).
  • a two-dimensional fine pattern (corresponding to the position of the embedded layer 4b) is formed on the resist RG1 by drawing and developing a two-dimensional fine pattern with an electron beam drawing apparatus ((c in FIG. 5). ) Part).
  • a plurality of holes H1 having a fine pattern are formed in the resist RG1. Each hole H1 reaches the surface of the mask layer FL1.
  • the mask layer FL1 is etched using the resist RG1 as a mask, and the fine pattern of the resist is transferred to the mask layer FL1 (part (d) in FIG. 5).
  • RIE reactive ion etching
  • SiN etching gas a fluorine-based gas (CF4, CHF3, C2F6) can be used.
  • the resist RG1 is immersed in a stripping solution, and the resist RG1 is further ashed to remove the resist RG1 (part (e) in FIG. 5).
  • ashing photoexcitation ashing or plasma ashing can be used.
  • only the mask layer FL1 having a plurality of holes H3 remains on the basic layer 4a.
  • the basic layer 4a is etched, and the fine pattern of the mask layer FL1 is transferred to the basic layer 4a (portion (f) in FIG. 5).
  • dry etching is used.
  • a chlorine-based or fluorine-based gas can be used as an etching gas.
  • Cl2, SiCl4, SF6 or the like can be used as a main etching gas, and Ar gas or the like mixed therein can be used.
  • the depth of the hole H4 formed in the basic layer 4a is, for example, about 100 nm, and the depth of the hole H4 is smaller than the thickness of the basic layer 4a. Note that the hole H4 can reach the surface of the semiconductor layer serving as the base of the basic layer 4a.
  • RIE reactive ion etching
  • the SiN etching gas a fluorine-based gas (CF4, CHF3, C2F6) can be employed as described above.
  • surface treatment such as surface cleaning including thermal cleaning of the basic layer 4a is performed.
  • the buried layer 4b is formed (regrown) in the hole H5 by MOCVD (part (h) in FIG. 5).
  • MOCVD part (h) in FIG. 5
  • AlGaAs is supplied to the surface of the basic layer 4a.
  • the supplied AlGaAs has a higher Al composition ratio than the basic layer 4a.
  • AlGaAs fills the hole H5 and becomes the buried layer 4b.
  • AlGaAs supplied thereafter is laminated on the basic layer 4a as a buffer layer.
  • a P clad layer 5 made of AlGaAs and a contact layer 6 made of GaAs are successively grown on the photonic crystal layer 4 by MOCVD (part (i) in FIG. 5).
  • the crystal growth described above is all epitaxial growth, and the crystal axes of the respective semiconductor layers are coincident.
  • a resist RG2 is applied on the contact layer 6 (part (j) in FIG. 6). Thereafter, an opening pattern for disposing the electrode 9 is formed in the resist RG2 (portion (k) in FIG. 6). Then, electrode material 9b is deposited on the exposed surface of resist RG2 and contact layer 6 using resist RG2 having this opening pattern as a mask (portion (l) in FIG. 6). For example, a vapor deposition method or a sputtering method can be used to form the electrode material 9b. Thereafter, the resist RG2 is removed by lift-off, and the square electrode material 9b is left on the contact layer 6 to form the electrode 9.
  • an antireflection film 7 made of SiN or the like is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 on the negative side in the X-axis direction by, for example, mirror polishing and using a PCVD method or the like. Then, for example, the antireflection film 7 is removed only from the shape portion of the electrode 8 using a photolithography method, and the electrode 8 is formed using a photolithography method and a vacuum deposition method (portion (m) in FIG. 6). As described above, the electrodes 8 and 9 are formed to complete the semiconductor light emitting device 10. When the electrodes 8 and 9 are formed, the dimensions of the contact surface 9a of the electrode 9 and the dimensions of the opening 8a of the electrode 8 are made to coincide.
  • the semiconductor light emitting device 20 of the second embodiment is different from the semiconductor light emitting device 10 of the first embodiment in that a P-type DBR layer is interposed between the photonic crystal layer 4 and the P clad layer 5 as shown in FIG. 25 (DBR: Distributed Bragg Reflector).
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • the DBR layer 25 is provided on the X axis.
  • the surface 25 a on the X-axis positive direction side of the DBR layer 25 is in contact with the P-cladding layer 5, and the surface 25 b on the X-axis negative direction side of the DBR layer 25 is in contact with the photonic crystal layer 4.
  • the DBR layer 25 reflects the laser light LB generated by the photonic crystal layer 4 and causes the photonic crystal layer 4 to emit reflected light LC.
  • the DBR layer 25 is also referred to as a mirror layer.
  • the DBR layer 25 has a semiconductor multilayer structure in which, for example, AlGaAs layers having different Al composition ratios are alternately stacked.
  • the DBR layer 25 converts the intensity of the reflected light according to the incident angle of the incident light. Specifically, for example, as shown in part (e) of FIG. 9, when there is incident light LD incident in the X-axis direction and incident light LE incident light LF incident obliquely with respect to the X-axis, the DBR layer 25 has a function of making the intensity of the reflected light LH of the incident light LE and the intensity of the reflected light LI of the incident light LF weaker than the intensity of the reflected light LG of the incident light LD. For example, when there are reflection characteristics of the reflected lights LG, LH, and LI as shown in FIGS. 9A to 9C, the DBR layer 25 causes the intensity of the reflected light LG to be higher than that of the reflected lights LH and LI. Then, the wavelength ⁇ 1 is determined so as to be higher (part (d) of FIG. 9).
  • the step of growing the P clad layer 5 and the contact layer 6 on the photonic crystal layer 4 is the same as that of the first embodiment. This is different from the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 10. Specifically, the DBR layer 25, the P clad layer 5 and the contact layer 6 are sequentially grown on the photonic crystal layer 4. Subsequent steps (steps after the portion (j) in FIG. 6) are the same as those in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 10 of the first embodiment.
  • the DBR layer 25 changes the reflection intensity of light in the X-axis direction and other directions, and reflects the reflected light emitted in directions other than the X-axis direction. It becomes possible to weaken the reflected light emitted in the direction. Therefore, noise light emitted in directions other than the X-axis direction can be suppressed.
  • a single-layer metal reflective film such as AL, Au, Ag, etc. can be applied as a mirror layer.
  • the semiconductor light emitting device 30 according to the third embodiment is different from the semiconductor light emitting device 10 of the first embodiment in that a DBR layer 35 is provided between the N clad layer 2 and the active layer 3 as shown in FIG. It is a point.
  • the DBR layer 35 is provided on the X axis. A surface 35a on the X-axis positive direction side of the DBR layer 35 is in contact with the active layer 3, and a surface 35b on the X-axis negative direction side of the DBR layer 35 is in contact with the N cladding layer 2.
  • the DBR layer 35 has a function of transmitting the laser light generated by the photonic crystal layer 4. Similar to the DBR layer 25, the DBR layer 35 has a semiconductor multilayer structure in which, for example, AlGaAs layers having different AL composition ratios are alternately stacked.
  • the DBR layer 35 converts the intensity of the transmitted light according to the incident angle of the incident light. Specifically, for example, as shown in FIG.
  • the DBR layer 35 when there is incident light LJ incident in the X-axis direction, incident light LK and incident light LL inclined with respect to the X-axis, the DBR layer 35 is incident It has a function of making the intensity of the transmitted light LN of the light LK and the intensity of the transmitted light LO of the incident light LL weaker than the intensity of the transmitted light LM of the incident light A.
  • the DBR layer 35 when there is a transmission characteristic of transmitted light LM, LN, and LO as shown in FIGS. 11A to 11C, the DBR layer 35 causes the intensity of the transmitted light LM to be higher than that of the transmitted light LN and LO. Then, the wavelength ⁇ 2 is determined so as to be higher (part (d) of FIG. 11).
  • the step of growing the N clad layer 2, the active layer 3, and the basic layer 4 a on the semiconductor substrate 1 is the first.
  • the N clad layer 2, the DBR layer 35, the active layer 3, and the basic layer 4 a are sequentially epitaxially grown on the semiconductor substrate 1 using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method or the like.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the DBR layer 35 changes the light transmission intensity in the X-axis direction and other directions, and transmits transmitted light emitted in directions other than the X-axis direction. It becomes possible to weaken the transmitted light emitted in the direction. Therefore, like the semiconductor light emitting device 20 of the second embodiment, noise light emitted in directions other than the X-axis direction can be suppressed.
  • the second embodiment and the third embodiment have either the DBR layer 25 or the DBR layer 35, it is possible to change the intensity of light emitted in the X-axis direction and other directions. It becomes. Therefore, noise light emitted in directions other than the reference axis direction can be suppressed.
  • the DBR layer can be configured to be provided at any position between the electrode 8 and the photonic crystal layer 4 and between the electrode 9 and the photonic crystal layer 4. Further, the DBR layer may be provided both between the electrode 8 and the photonic crystal layer 4 and between the electrode 9 and the photonic crystal layer 4.
  • the photonic crystal layer 4 can be configured to be provided at any position between the active layer 3 and the electrode 8 and between the active layer 3 and the electrode 9.
  • the structure includes the active layer 3, the photonic crystal layer 4, the electrode 8, and the electrode 9, the material system, film thickness, and layer structure can be changed as appropriate.
  • the semiconductor light emitting devices 10, 20, and 30 sufficient light output can be obtained, and emission of noise light by the photonic crystal can be suppressed.
  • SYMBOLS 1 Semiconductor substrate, 2 ... N clad layer, 3 ... Active layer, 4 ... Photonic crystal layer, 5 ... P clad layer, 6 ... Contact layer, 7 ... Antireflection film, 8 ... Electrode (1st electrode), 8a ... opening, 8a1 ... outer periphery, 8a2 ... center (center of opening), 8e1 ... end (third end), 8e2 ... end (fourth end), 9 ... electrode (first) 2 electrode), 9a ... contact portion, 9a1 ... outer periphery, 9a2 ... center portion, 9e1 ... end portion (first end portion), 9e2 ... end portion (second end portion), 10, 20, 30 ... semiconductor Light emitting element, 25, 35 ... DBR layer, F ... insulating layer.

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Abstract

電極８と活性層３とフォトニック結晶層４と電極９とを備え、活性層３と電極８との間及び活性層３と電極９との間、は互いに導電型が異なっており、電極８は開口部８ａを有し、電極８と活性層３とフォトニック結晶層４と電極９とはＸ軸に沿って積層されており、Ｘ軸は、当該Ｘ軸の軸線方向から見た開口部８ａの中央部８ａ２を通り、電極９は、Ｘ軸の軸線方向から見てＹ軸方向の反対方向に位置する端部９ｅ１と、Ｙ軸方向に位置する端部９ｅ２とを有し、開口部８ａは、Ｘ軸から見てＹ軸方向の反対方向に位置する端部８ｅ１と、Ｙ軸方向に位置する端部８ｅ２とを有し、電極９の端部９ｅ１と、開口部８ａの端部８ｅ１とは、Ｘ軸の軸線方向から見て略一致する。

Description

半導体発光素子
　本発明は、半導体発光素子に関する。
　特許文献１には、二次元フォトニック結晶構造を備えた面発光レーザ光源が開示されている。特許文献１の面発光レーザ光源は、電極材料を有しない開口が形成された窓状電極と、活性層と、窓状電極の開口よりも面積が小さい矩形形状の裏面電極とを備える。窓状電極は、素子基板の光出射側に設けられている。裏面電極は、窓状電極の反対側の実装面に設けられている。窓状電極と裏面電極とから活性層に電流が供給される。裏面電極と活性層との距離は素子基板と活性層との距離より小さく、活性層への電流の注入範囲は裏面電極の大きさに対応している。
国際公開ＷＯ２００７／０２９５３８号パンフレット
廣瀬他：「２Ｄフォトニック結晶レーザにおける非発振バンドの影響」、第５９回応用物理学関係連合講演会予稿集
　ところで、上記のようなフォトニック結晶構造を備えた半導体発光素子において、発明者は、面垂直方向に出射されるビーム光の周辺部に極めて微弱なノイズパターンが存在することを発見した（非特許文献１）。このノイズパターンは、発振状態の光がフォトニック結晶の擾乱等により非弾性散乱を受け、フォトニック結晶により回折されて生じたものである。発明者は、このノイズパターンが生じる半導体発光素子について検討を行った結果、電流注入領域外、すなわち発光が生じていない領域にこのノイズパターンに対応する光（以下、ノイズ光と称する）が漏れていることを発見した。このノイズ光は、例えば光インターコネクションがマルチチャンネルで構成された場合隣接するチャンネルへのクロストークの原因となりうるため、問題である。また、裏面電極の周辺で発生した光がノイズ光であると推察されるが、ここで特許文献１のように裏面電極の面積に比して開口の面積を大きくすると出射されるノイズ光が増加し、逆に開口の面積より裏面電極の面積を大きくすると光出力が十分得られないという問題がある。
　本発明の目的は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、例えば、光出力を十分得ると共にフォトニック結晶によるノイズ光の出射を抑えることが可能な半導体発光素子を提供することである。
　本発明の一側面に係る半導体発光素子は、第１の電極と、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の半導体部と、第２の電極とを備え、前記半導体部は、第１の電極と第２の電極との間に設けられ、前記半導体部は、活性層とフォトニック結晶層とを有し、前記フォトニック結晶層は、前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、の何れかの位置に設けられ、前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、は互いに導電型が異なっており、前記第１の電極は、開口部を有し、前記第１の電極と前記活性層と前記フォトニック結晶層と前記第２の電極とは、基準軸に沿って積層されており、前記基準軸は、当該基準軸の軸線方向から見た前記開口部の中央部を通り、前記第２の電極は、前記基準軸の軸線方向から見て第１の方向に位置する第１の端部と、前記第１の方向の反対方向である第２の方向に位置する第２の端部とを有し、前記開口部は、前記基準軸の軸線方向から見て前記第１の方向に位置する第３の端部と、前記第２の方向に位置する第４の端部とを有し、前記第２の電極の前記第１の端部と、前記開口部の前記第３の端部とは、前記基準軸の軸線方向から見て略一致する。
　この半導体発光素子によれば、第２の電極の端部と開口部の端部とは、基準軸の軸線方向から見て略一致する。このため、開口部の外周の近傍に位置するノイズ光のみが第１の電極によって遮断される。従って、光出力を十分得ると共にフォトニック結晶によるノイズ光の出射を抑えることができる。
　また、本発明の別の一側面に係る半導体発光素子は、第１の電極と、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の半導体部と、第２の電極とを備え、前記半導体部は、第１の電極と第２の電極との間に設けられ、前記半導体部は、活性層とフォトニック結晶層とを有し、前記フォトニック結晶層は、前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、の何れかの位置に設けられ、前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、は互いに導電型が異なっており、前記第１の電極は、開口部を有し、前記活性層と前記フォトニック結晶層とから出力され前記開口部に到達する光の強度の最小値は、前記活性層と前記フォトニック結晶層とから出力され前記開口部に到達する光の強度の最大値のＡ％（１０≦Ａ≦３０を満たす）を下回らない。
　この半導体発光素子によれば、開口部の外周に存在する微弱なノイズ光は開口部を通過しないことになる。従って、開口部の外周におけるノイズ光のみが抑えられるため、光出力を十分得ると共にフォトニック結晶によるノイズ光の出射を抑えることができる。
　また、本発明の別の一側面に係る半導体発光素子では、前記第１の電極が有する光の透過強度は、前記開口部の外周から離れるにつれて減少する。従って、開口部の外縁部分のノイズ光の透過強度を小さくすることが可能となるため、フォトニック結晶によるノイズ光の出射を抑えることができる。また、光強度が急激に変化することで生じるサイドローブの発生を抑制することが出来る。
　また、本発明の別の一側面に係る半導体発光素子では、ＤＢＲ層を有し、前記ＤＢＲ層は、前記基準軸上に設けられ、前記ＤＢＲ層は、前記第１の電極と前記フォトニック結晶層との間、及び、前記第２の電極と前記フォトニック結晶層との間、の何れかの位置に設けられる。このように、ＤＢＲ層を設けることにより基準軸方向とそれ以外の方向とで出射される光の強度に差をつけることが可能となる。本来の光出力が基準軸方向に沿って出力されるのに対し、ノイズ光は主に基準軸から離れた方向に出力されるため、基準軸方向以外の方向に出射されるノイズ光の出射を抑えることができる。
　また、本発明の別の一側面に係る半導体発光素子では、第１のＤＢＲ層と第２のＤＢＲ層とを有し、前記第１のＤＢＲ層は、前記第１の電極と前記フォトニック結晶層との間に設けられ、前記第２のＤＢＲ層は、前記第２の電極と前記フォトニック結晶層との間に設けられる。よって、ＤＢＲ層を設けることにより基準軸方向とそれ以外の方向とで出射される光の強度に差をつけることができる。本来の光出力が基準軸方向に沿って出力されるのに対し、ノイズ光は主に基準軸から離れた方向に出力されるため、基準軸方向以外の方向に出射されるノイズ光の出射を抑えることができる。
　本発明の一側面に係る半導体発光素子によれば、例えば、光出力を十分得ると共にフォトニック結晶によるノイズ光の出射を抑えることができる。
第１実施形態に係る半導体発光素子を示す図である。 第１実施形態に係る半導体発光素子を示す図である。 第１実施形態に係る半導体発光素子を示す図である。 第１実施形態に係る半導体発光素子の開口部を通る光の通過強度と電極の位置との関係を示すグラフである。 半導体発光素子の製造方法を示す図である。 半導体発光素子の製造方法を示す図である。 第２実施形態に係る半導体発光素子を示す図である。 第２実施形態に係る半導体発光素子において、光が反射する状況を説明する図である。 第２実施形態に係る半導体発光素子の光の入射角度に応じた光の反射特性を説明する図である。 第３実施形態に係る半導体発光素子を示す図である。 第３実施形態に係る半導体発光素子の光の入射角度に応じた光の透過特性を説明する図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の一側面による半導体発光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
　第１実施形態の半導体発光素子１０は、いわゆる端面発光型フォトニック結晶レーザ素子である。ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸を素子厚み方向、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸に直交する方向とした場合、ＹＺ平面に平行にレーザ光出射面が位置する。このＸ軸が基準軸に相当する。半導体発光素子１０からはレーザ光ＬＡがＸ軸方向に沿って出射される。
　半導体発光素子１０は、図１に示すように、半導体基板１からＸ軸に沿って、Ｎクラッド層２、活性層３、フォトニック結晶層４、Ｐクラッド層５、コンタクト層６及び電極９を順次備えている。以下では、ＸＹＺ直交座標系の原点が半導体基板１の内部に設定されるものとし、半導体基板１に対してＮクラッド層２が設けられる方向をＸ軸正方向、図１の紙面における右方向をＹ軸正方向、図１の紙面における奥行き方向をＺ軸正方向、として説明する。半導体基板１のＸ軸負方向側には、反射防止膜７及び電極８が設けられている。活性層３と電極８との間の導電型はＮ型、活性層３と電極９との間の導電型はＰ型、となっている。半導体基板１、Ｎクラッド層２、活性層３、フォトニック結晶層４、Ｐクラッド層５、コンタクト層６及び電極９は、Ｘ軸上に配置されている。また、半導体基板１、Ｎクラッド層２、活性層３、フォトニック結晶層４、Ｐクラッド層５、及びコンタクト層６は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の半導体部である。この半導体部が電極８と電極９との間に設けられる。そして、電極８と活性層３とフォトニック結晶層４と電極９とは、基準軸であるＸ軸に沿って積層されている。
　半導体基板１は直方体形状となっている。半導体基板１の材料は、例えばＧａＡｓである。半導体基板１の厚みは、例えば８０μｍ以上３５０μｍ以下である。
　Ｎクラッド層２は、半導体基板１のＸ軸正方向側に形成される。Ｎクラッド層２の材料は、例えばＡｌＧａＡｓである。Ｎクラッド層２の厚みは、例えば１．０μｍ以上３．０μｍ以下である。
　活性層３は、フォトニック結晶層４に対して光を供給するものである。活性層３は、Ｎクラッド層２とフォトニック結晶層４との間に位置する。活性層３は、例えば量子井戸層からなる。活性層３は、ＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓの積層構造となっている。活性層３の厚みは例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　フォトニック結晶層４は、安定した発振を得るために設けられる。フォトニック結晶層４は、光の共振によってレーザ光を生成する。フォトニック結晶層４は、共振するレーザ光の波長を決定している。フォトニック結晶層４は、活性層３とＰクラッド層５との間に位置している。フォトニック結晶層４の材料は、例えばＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓである。フォトニック結晶層４の厚みは、例えば１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。フォトニック結晶層４は、例えばＧａＡｓからなる基本層４ａ内に複数の穴を周期的に形成し当該穴内にＡｌＧａＡｓからなる埋め込み層４ｂを成長させて生成される。なお、フォトニック結晶層４の結晶パターンは、例えばＰクラッド層５と同一の材料で埋め込むこともでき、内部に空気が保持された構造を用いることもできる。
　Ｐクラッド層５は、フォトニック結晶層４のＸ軸正方向側に設けられる。Ｐクラッド層５の材料は、例えばＰ型のＡｌＧａＡｓである。Ｐクラッド層５の厚みは、例えば１．０μｍ以上３．０μｍ以下である。
　コンタクト層６は、Ｐクラッド層５のＸ軸正方向側に設けられる。コンタクト層６の材料は、例えばＧａＡｓである。コンタクト層６の厚みは、例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。なお、コンタクト層６上には、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の絶縁層Ｆが必要に応じて設けられる。
　反射防止膜７は、半導体基板１のＸ軸負方向側に設けられる。反射防止膜７の材料は、例えばＳｉＮである。
　電極８は、半導体基板１のＸ軸負方向側に設けられる。電極８は、反射防止膜７が存在しない部分に設けられる。電極８の形状は、例えば略直方体形状である。電極８の面形状は、例えば図２に示すように正方形である。電極８から活性層３までの距離は、例えば１００μｍである。電極８の材料としては、例えばＡｕ、Ｇｅ、Ｎｉ等の金属やそれらの合金を用いることができる。
　電極８は、開口部８ａを有する。開口部８ａは、Ｘ軸上に配置される。開口部８ａの形状は、正方形である。開口部８ａの一辺の長さはＬ２である。具体的には、例えば半導体発光素子１０のＺ軸正方向側の端部と開口部８ａのＺ軸正方向側の端部との距離をＺＦ３、半導体発光素子１０のＺ軸負方向側の端部と開口部８ａのＺ軸負方向側の端部との距離をＺＢ３、半導体発光素子１０のＹ軸負方向側の端部と開口部８ａのＹ軸負方向側の端部との距離をＹＬ３、半導体発光素子１０のＹ軸正方向側の端部と開口部８ａのＹ軸正方向側の端部との距離をＹＲ３、とすると、ＺＦ３＝ＺＢ３＝ＹＬ３＝ＹＲ３となっている。この開口部８ａからは、レーザ光ＬＡが半導体発光素子１０の外部に出射される。開口部８ａは、Ｘ軸から見てＹ軸負方向（第１の方向）に位置する端部８ｅ１（第３の端部）と、その反対方向であるＹ軸正方向（第２の方向）に位置する端部８ｅ２（第４の端部）とを有する。なお、電極８及び開口部８ａの面の形状は、正方形でなく、例えば長方形や円、六角形等、別の形状であることもできる。また、電極８は、中央部８ａ２を有する。中央部８ａ２から電極８の各辺への距離は、全て略同一になっている。
　電極９は、コンタクト層６のＸ軸正方向側に設けられる。電極９の形状は、例えば略直方体形状である。電極９は、絶縁層Ｆに形成された開口内に設けられる。電極９の材料としては、例えば電極８同様、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔｉ等の金属を用いることができる。
　また、図３に示すように、例えば半導体発光素子１０のＺ軸負方向側の端部と電極９のＺ軸負方向側の端部との距離をＺＦ１、半導体発光素子１０のＺ軸正方向側の端部と電極９のＺ軸正方向側の端部との距離をＺＢ１、半導体発光素子１０のＹ軸正方向側の端部と電極９のＹ軸正方向側の端部との距離をＹＲ１、半導体発光素子１０のＹ軸負方向側の端部と電極９のＹ軸負方向側の端部との距離をＹＬ１、とすると、ＺＦ１＝ＺＢ１＝ＹＲ１＝ＹＬ１となっている。
　電極９は、そのＸ軸負方向側に接触面９ａを有する。接触面９ａは、コンタクト層６に接触させるための面である。接触面９ａの形状は、正方形である。接触面９ａの一辺の長さはＬ１である。また、例えば半導体発光素子１０のＺ軸負方向側の端部と接触面９ａのＺ軸負方向側の端部との距離をＺＦ２、半導体発光素子１０のＺ軸正方向側の端部と接触面９ａのＺ軸正方向側の端部との距離をＺＢ２、半導体発光素子１０のＹ軸正方向側の端部と接触面９ａのＹ軸正方向側の端部との距離をＹＲ２、半導体発光素子１０のＹ軸負方向側の端部と接触面９ａのＹ軸負方向側の端部との距離をＹＬ２、とすると、ＺＦ２＝ＺＢ２＝ＹＲ２＝ＹＬ２となっている。電極９は、Ｘ軸の軸線方向から見てＹ軸負方向に位置する端部９ｅ１（第１の端部）と、Ｙ軸正方向に位置する端部９ｅ２（第２の端部）とを有する。また、電極９は、中央部９ａ２を有する。中央部９ａ２から電極９の各辺への距離は、全て略同一になっている。
　また、図１に示すように、電極９から活性層３までの距離は、電極８から活性層３までの距離と比較して非常に小さく、例えば数μｍである。このため、活性層３への電源の注入範囲は、接触面９ａに対応するものとなっている。なお、接触面９ａの形状は、正方形でなくてもよく、開口部８ａと同様であれば、どのような形状であることもできる。また、Ｘ軸は、電極８と活性層３とフォトニック結晶層４と電極９との積層されている方向に対して直交するＹＺ平面における開口部８ａの中央部８ａ２（図２参照）を通る。
　以上のように構成される半導体発光素子１０の動作について簡潔に説明する。電極８と電極９との間に駆動電圧を印加し電流を流すと、活性層３内にキャリアが集中する。このキャリアが集中する領域内において、電子と正孔が再結合して発光が生じる。この発光は、Ｎクラッド層２からＰクラッド層５までのコア層内でフォトニック結晶層４により共振されて、レーザ光ＬＡが生成される。レーザ光ＬＡは、開口部８ａから半導体発光素子１０の外部に出射される。
　ところで、従来の半導体発光素子において、フォトニック結晶を用いた場合、Ｘ軸方向に出射されるレーザ光の周辺部に極めて微弱なノイズパターンが存在することが発見されている（例えば非特許文献１参照）。このノイズパターンは、発振状態の光がフォトニック結晶の擾乱等により非弾性散乱を受け、フォトニック結晶により回折されて生じたものである。このノイズパターンが生じる半導体発光素子について、電流注入領域外すなわち発光が生じていない領域に、このノイズパターンに対応するノイズ光が漏れていることが発見されている。このノイズ光は、例えば光インターコネクションがマルチチャンネルで構成された場合隣接するチャンネルへのクロストークの原因となりうるため、問題である。
　そこで、本実施形態に係る半導体発光素子１０では、電極８の開口部８ａの外周８ａ１と電極９の接触面９ａの外周９ａ１とは、Ｘ軸に直交するＹＺ平面において略一致するようになっている。具体的には、例えばδＬを、接触面９ａの一辺の長さＬ１及び開口部８ａの一辺の長さＬ２に対して非常に小さい正の実数とすると、Ｌ２＝Ｌ１±δＬとなっている。
　δＬの値については、例えば数μｍ等といった絶対的な値にすることができ、又は例えば開口部８ａの一辺の長さＬ２の１％等といった相対的な値にすることもできる。また、開口部８ａに到達する光の強度分布が、例えば図４のグラフに示すようにＹＺ平面における開口部８ａの中央部８ａ２が最大で中央部８ａ２から離れ外周８ａ１に向かうにつれて小さくなっていく場合、光の強度が基準値（例えば最大値の２０％）以下である部分をδＬとすることもできる。このように、δＬの値は、ノイズ光が開口部８ａから出射しないように設定される。
　以上、図１に示すように、電極９の端部９ｅ１と、開口部８ａの端部８ｅ１とは、Ｘ軸の軸線方向から見て略一致する。よって、電極９の外周９ａ１に存在するノイズ光は、電極８の開口部８ａの外側に位置する部分で遮断される。従って、ノイズ光が開口部８ａから出射されなくなるため上記の問題が解決される。
　また、活性層３とフォトニック結晶層４とから出力され開口部８ａに到達する光の強度の最小値は、活性層３とフォトニック結晶層４とから出力され開口部８ａに到達する光の強度の最大値のＡ％（１０≦Ａ≦３０を満たす）を下回らないようになっている。開口部８ａに到達する光の強度が例えば図４のグラフに示すような分布であるとすると、外周８ａ１に到達する光の強度は、中央部８ａ２に到達する光の強度の２０％を下回らないようになっている。このように、開口部８ａに到達する光の強度の最小値を例えば２０％以上とすることにより、開口部８ａの外周８ａ１に存在する微弱なノイズ光は開口部８ａを通過しないことになる。従って、ノイズ光の半導体発光素子１０外方への出射を抑えることができる。
　また、電極８の光の透過強度は、開口部８ａの外周から離れるにつれて減少するようになっている。電極８の光の透過強度は、例えば吸収型のＮＤフィルタにより連続的に減少している。具体的には、電極８を形成する際に、開口部８ａの外周８ａ１において例えばＮＤフィルタの薄膜の濃度を連続的に変化させることにより、開口部８ａの外周８ａ１から離れるにつれて透過率を減少させている。このように、開口部８ａの外周８ａ１から離れるにつれて透過率を減少させることにより、開口部８ａの外周８ａ１におけるノイズ光の出射を抑えることができる。なお、透過率を連続的に変化させるのではなく、例えば段階的に変化させることもできる。更に、吸収型のＮＤフィルタの代わりに反射型のＮＤフィルタを用いることもできる。反射型のＮＤフィルタとしては、例えばクロム等の金属薄膜を、濃度が変化するように蒸着して作製されたものを用いることができるほか、電極９の開口部を濃度が変化するよう蒸着して形成するものを用いることもできる。
　以上のように構成される第１実施形態の半導体発光素子１０の製造方法の一例について図５及び図６を参照して説明する。ＧａＡｓからなる半導体基板１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法等を用いて、ＡｌＧａＡｓからなるＮクラッド層２、ＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓとの積層構造からなる活性層３、ＧａＡｓからなる基本層４ａ、を順次エピタキシャル成長させる（図５の（ａ）部）。
　次に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１を基本層４ａ上に形成し、マスク層ＦＬ１上にレジストＲＧ１を塗布する（図５の（ｂ）部）。そして、電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジストＲＧ１に２次元（又は１次元）の微細パターン（埋め込み層４ｂの位置に対応）を形成する（図５の（ｃ）部）。これにより、レジストＲＧ１には微細パターンとなる複数の孔Ｈ１が形成される。各孔Ｈ１は、マスク層ＦＬ１の表面にまで到達している。
　次に、マスク層ＦＬ１を、レジストＲＧ１をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層ＦＬ１に転写する（図５の（ｄ）部）。このエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を用いることができる。このエッチングにより、マスク層ＦＬ１には、孔Ｈ２が形成される。各孔Ｈ２は、基本層４ａの表面にまで到達している。
　次に、レジストＲＧ１を剥離液に浸し、更に、レジストＲＧ１をアッシングすることにより、レジストＲＧ１を除去する（図５の（ｅ）部）。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔Ｈ３を有するマスク層ＦＬ１のみが、基本層４ａ上に残留することとなる。
　マスク層ＦＬ１をマスクとして、基本層４ａをエッチングし、マスク層ＦＬ１の微細パターンを基本層４ａに転写する（図５の（ｆ）部）。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。基本層４ａ内に形成される孔Ｈ４の深さは、例えば１００ｎｍ程度であり、孔Ｈ４の深さは基本層４ａの厚みよりも小さい。なお、孔Ｈ４は、基本層４ａの下地となる半導体層の表面まで到達していることもできる。
　次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１のみを除去し、孔Ｈ４に連続した穴Ｈ５の開口端面を露出させる。すなわち基本層４ａの表面を露出させる（図５の（ｇ）部）。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。その後、基本層４ａのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。
　次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、穴Ｈ５内に埋め込み層４ｂを形成（再成長）する（図５の（ｈ）部）。この再成長工程では、ＡｌＧａＡｓを基本層４ａの表面に供給する。供給されるＡｌＧａＡｓは、基本層４ａよりもＡｌの組成比が高い。再成長の初期段階においては、ＡｌＧａＡｓは、穴Ｈ５内を埋めていき、埋め込み層４ｂとなる。穴Ｈ５が埋まった場合、その後に供給されるＡｌＧａＡｓは、バッファ層として、基本層４ａの上に積層される。しかる後、ＭＯＣＶＤ法により、フォトニック結晶層４上に、ＡｌＧａＡｓからなるＰクラッド層５、ＧａＡｓからなるコンタクト層６を順次成長させる（図５の（ｉ）部）。Ｐクラッド層５におけるＡｌの組成比Ｘは、埋め込み層４ｂにおけるＡｌの組成比Ｘ以上であり、例えばＸ＝０．４とすることができる。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。
　次に、コンタクト層６上に、レジストＲＧ２を塗布する（図６の（ｊ）部）。その後、レジストＲＧ２に電極９を配置するための開口パターンを形成する（図６の（ｋ）部）。そして、この開口パターンを有するレジストＲＧ２をマスクとして、レジストＲＧ２及びコンタクト層６の露出表面上に電極材料９ｂを堆積させる（図６の（ｌ）部）。この電極材料９ｂの形成には、例えば蒸着法やスパッタ法を用いることができる。その後、レジストＲＧ２をリフトオフにより除去しコンタクト層６上に正方形の電極材料９ｂを残留させて電極９を形成する。
　一方、半導体基板１のＸ軸負方向側の面には、例えば鏡面研磨を施した後ＰＣＶＤ法等を用いてＳｉＮ等からなる反射防止膜７を形成する。そして、例えばフォトリソグラフィー法を用いて電極８の形状部分のみ反射防止膜７を除去し、更にフォトリソグラフィー法及び真空蒸着法を用いて電極８を形成する（図６の（ｍ）部）。以上のように、電極８及び電極９を形成して半導体発光素子１０が完成する。なお、電極８及び電極９を形成する際には、電極９の接触面９ａの寸法と電極８の開口部８ａの寸法とを一致させるようにする。
（第２実施形態）
　以下では、第２実施形態に係る半導体発光素子２０について、図７～図９を参照しながら説明する。第２実施形態の半導体発光素子２０が第１実施形態の半導体発光素子１０と異なる点は、図７に示すように、フォトニック結晶層４とＰクラッド層５との間にＰ型のＤＢＲ層２５（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が設けられた点である。
　ＤＢＲ層２５は、Ｘ軸上に設けられる。ＤＢＲ層２５のＸ軸正方向側の面２５ａはＰクラッド層５に、ＤＢＲ層２５のＸ軸負方向側の面２５ｂはフォトニック結晶層４に、それぞれ接している。ＤＢＲ層２５は、例えば図８に示すように、フォトニック結晶層４が生成したレーザ光ＬＢを反射してフォトニック結晶層４に反射光ＬＣを出射させる。ＤＢＲ層２５は、ミラー層とも称される。ＤＢＲ層２５は、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造を有する。ＤＢＲ層２５は、入射光の入射角に応じて、反射光の強度を変換する。具体的には、例えば図９の（ｅ）部に示すように、Ｘ軸方向に入射する入射光ＬＤ、Ｘ軸に対して傾斜して入射する入射光ＬＥ入射光ＬＦがある場合、ＤＢＲ層２５は、入射光ＬＥの反射光ＬＨと入射光ＬＦの反射光ＬＩの強度を、入射光ＬＤの反射光ＬＧの強度より弱める機能を有する。例えば、図９の（ａ）部～（ｃ）部に示すような反射光ＬＧ，ＬＨ，ＬＩの反射特性がある場合、ＤＢＲ層２５により、反射光ＬＧの強度が反射光ＬＨ，ＬＩに比して高くなるように波長λ１が決定される（図９の（ｄ）部）。
　第２実施形態の半導体発光素子２０の製造方法については、フォトニック結晶層４上にＰクラッド層５及びコンタクト層６を成長させる工程（図５の（ｉ）部）のみが第１実施形態の半導体発光素子１０の製造方法と異なっている。具体的には、フォトニック結晶層４上に、ＤＢＲ層２５、Ｐクラッド層５及びコンタクト層６を順次成長させる。その後の工程（図６の（ｊ）部以降の工程）は、第１実施形態の半導体発光素子１０の製造方法と同様である。
　以上、第２実施形態の半導体発光素子２０では、ＤＢＲ層２５によりＸ軸方向とそれ以外の方向とで光の反射強度を変化させ、Ｘ軸方向以外の方向に出射される反射光をＸ軸方向に出射される反射光より弱めることが可能となる。従って、Ｘ軸方向以外の方向に出射されるノイズ光を抑えることができる。また、ＤＢＲ層２５に代えて、ミラー層としてＡＬ，Ａｕ，Ａｇ等の単層の金属反射膜を適用することができる。
（第３実施形態）
　以下では、第３実施形態に係る半導体発光素子３０について図１０及び図１１を参照しながら説明する。第３実施形態に係る半導体発光素子３０が第１実施形態の半導体発光素子１０と異なる点は、図１０に示すように、Ｎクラッド層２と活性層３との間にＤＢＲ層３５が設けられた点である。
　ＤＢＲ層３５は、Ｘ軸上に設けられる。ＤＢＲ層３５のＸ軸正方向側の面３５ａは活性層３に、ＤＢＲ層３５のＸ軸負方向側の面３５ｂはＮクラッド層２に、それぞれ接している。ＤＢＲ層３５は、フォトニック結晶層４が生成したレーザ光を透過する機能を有する。ＤＢＲ層３５は、ＤＢＲ層２５同様、例えばＡＬ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造を有する。ＤＢＲ層３５は、入射光の入射角に応じて、透過光の強度を変換する。具体的には、例えば図１１に示すように、Ｘ軸方向に入射する入射光ＬＪ、Ｘ軸に対して傾斜して入射する入射光ＬＫ及び入射光ＬＬがある場合、ＤＢＲ層３５は、入射光ＬＫの透過光ＬＮと入射光ＬＬの透過光ＬＯの強度を、入射光Ａの透過光ＬＭの強度より弱める機能を有する。例えば、図１１の（ａ）部～（ｃ）部に示すような透過光ＬＭ，ＬＮ，ＬＯの透過特性がある場合、ＤＢＲ層３５により、透過光ＬＭの強度が透過光ＬＮ，ＬＯに比して高くなるように波長λ２が決定される（図１１の（ｄ）部）。
　第３実施形態の半導体発光素子３０の製造方法については、半導体基板１上にＮクラッド層２、活性層３、及び基本層４ａを成長させる工程（図５の（ａ）部）のみが第１実施形態の半導体発光素子１０の製造方法と異なっている。具体的には、半導体基板１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法等を用いて、Ｎクラッド層２、ＤＢＲ層３５、活性層３、基本層４ａ、を順次エピタキシャル成長させる。その後の工程（図５の（ｂ）部以降の工程）は、第１実施形態の半導体発光素子１０の製造方法と同一である。
　以上、第３実施形態の半導体発光素子３０では、ＤＢＲ層３５によりＸ軸方向とそれ以外の方向とで光の透過強度を変化させ、Ｘ軸方向以外の方向に出射される透過光をＸ軸方向に出射される透過光より弱めることが可能となる。従って、第２実施形態の半導体発光素子２０同様、Ｘ軸方向以外の方向に出射されるノイズ光を抑えることができる。
　以上、第２実施形態と第３実施形態とでは、ＤＢＲ層２５及びＤＢＲ層３５の何れかを有するため、Ｘ軸方向とそれ以外の方向とで出射される光の強度を変化させることが可能となる。従って、基準軸方向以外の方向に出射されるノイズ光を抑えることができる。なお、ＤＢＲ層は、電極８とフォトニック結晶層４との間、及び、電極９とフォトニック結晶層４との間、の何れかの位置に設けられている構成であることができる。更に、電極８とフォトニック結晶層４との間、及び、電極９とフォトニック結晶層４との間、の両方にＤＢＲ層が設けられている構成であることができる。
　なお、上記は本実施形態の一例である。よって、例えばフォトニック結晶層４は、活性層３と電極８との間、及び、活性層３と電極９との間、の何れかの位置に設けられている構成であることができる。また、活性層３、フォトニック結晶層４、電極８、及び電極９を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成を適宜変更することは可能である。
　半導体発光素子１０，２０，３０によれば、光出力を十分得ると共にフォトニック結晶によるノイズ光の出射を抑えることができる。
　１…半導体基板、２…Ｎクラッド層、３…活性層、４…フォトニック結晶層、５…Ｐクラッド層、６…コンタクト層、７…反射防止膜、８…電極（第１の電極）、８ａ…開口部、８ａ１…外周、８ａ２…中央部（開口部の中央部）、８ｅ１…端部（第３の端部）、８ｅ２…端部（第４の端部）、９…電極（第２の電極）、９ａ…接触部、９ａ１…外周、９ａ２…中央部、９ｅ１…端部（第１の端部）、９ｅ２…端部（第２の端部）、１０，２０，３０…半導体発光素子、２５，３５…ＤＢＲ層、Ｆ…絶縁層。

Claims (5)

  1. 　第１の電極と、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の半導体部と、第２の電極とを備え、
    　前記半導体部は、第１の電極と第２の電極との間に設けられ、
    　前記半導体部は、活性層とフォトニック結晶層とを有し、
    　前記フォトニック結晶層は、前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、の何れかの位置に設けられ、
    　前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、は互いに導電型が異なっており、
    　前記第１の電極は、開口部を有し、
    　前記第１の電極と前記活性層と前記フォトニック結晶層と前記第２の電極とは、基準軸に沿って積層されており、
    　前記基準軸は、当該基準軸の軸線方向から見た前記開口部の中央部を通り、
    　前記第２の電極は、前記基準軸の軸線方向から見て第１の方向に位置する第１の端部と、前記第１の方向の反対方向である第２の方向に位置する第２の端部とを有し、
    　前記開口部は、前記基準軸の軸線方向から見て前記第１の方向に位置する第３の端部と、前記第２の方向に位置する第４の端部とを有し、
    　前記第２の電極の前記第１の端部と、前記開口部の前記第３の端部とは、前記基準軸の軸線方向から見て略一致する半導体発光素子。
  2. 　第１の電極と、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の半導体部と、第２の電極とを備え、
    　前記半導体部は、第１の電極と第２の電極との間に設けられ、
    　前記半導体部は、活性層とフォトニック結晶層とを有し、
    　前記フォトニック結晶層は、前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、の何れかの位置に設けられ、
    　前記活性層と前記第１の電極との間、及び、前記活性層と前記第２の電極との間、は互いに導電型が異なっており、
    　前記第１の電極は、開口部を有し、
    　前記活性層と前記フォトニック結晶層とから出力され前記開口部に到達する光の強度の最小値は、前記活性層と前記フォトニック結晶層とから出力され前記開口部に到達する光の強度の最大値のＡ％（１０≦Ａ≦３０を満たす）を下回らない半導体発光素子。
  3. 　前記第１の電極が有する光の透過強度は、前記開口部の外周から離れるにつれて減少する請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
  4. 　ＤＢＲ層を有し、
    　前記ＤＢＲ層は、前記第１の電極と前記フォトニック結晶層との間、及び、前記第２の電極と前記フォトニック結晶層との間、の何れかの位置に設けられる請求項１～３の何れか一項に記載の半導体発光素子。
  5. 　第１のＤＢＲ層と第２のＤＢＲ層とを有し、
    　前記第１のＤＢＲ層は、前記第１の電極と前記フォトニック結晶層との間に設けられ、
    　前記第２のＤＢＲ層は、前記第２の電極と前記フォトニック結晶層との間に設けられる請求項１～３の何れか一項に記載の半導体発光素子。
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