WO2018235413A1 - 面発光半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

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semiconductor
light
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中島　博
達史 濱口
御友　重吾
佐藤　進
仁道 伊藤
秀和 川西
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ソニー株式会社
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • the present technology relates to a surface emitting semiconductor laser including a nitride semiconductor and a method of manufacturing the same.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting LASER
  • Patent Document 1 Development of a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER) including a nitride semiconductor is in progress (see, for example, Patent Document 1). Since the nitride semiconductor has a band gap of about 0.7 eV to 6.2 eV, it can cover the wavelength range from the near infrared region to the deep ultraviolet region. Therefore, a VCSEL including a nitride semiconductor can emit light having a shorter wavelength than a compound semiconductor including arsenic (As) or phosphorus (P).
  • As arsenic
  • P phosphorus
  • a surface emitting semiconductor laser including a nitride semiconductor for example, it is desired to further improve element characteristics such as reliability.
  • a surface-emitting semiconductor laser includes a nitride semiconductor, and a semiconductor layer in which a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer are stacked in this order and a light emitting region is provided. And a first light reflecting layer and a second light reflecting layer facing each other with the semiconductor layer interposed therebetween, wherein the first semiconductor layer has an average dislocation density higher than the average dislocation density of the light emitting region outside the light emitting region. Having high dislocation density.
  • the light emitting region is provided outside the high dislocation portion of the first semiconductor layer, so high dislocation even when the high dislocation portion exists in the first semiconductor layer Light is emitted almost without influence of the part.
  • a first semiconductor layer is formed in a seed region selectively provided on a growth substrate, and the seed region is parallel to the surface of the growth substrate.
  • the active layer and the second semiconductor layer are stacked in this order on the first semiconductor layer, and a light emitting region is formed outside the seed region, and the second semiconductor layer is interposed to activate
  • a second light reflecting layer is formed opposite to the layer, and the first supporting substrate is bonded to the growth substrate with the second light reflecting layer in between, then the growth substrate is peeled off, and the active layer is interposed between the second light.
  • the first light reflecting layer is formed to face the reflecting layer.
  • the light emitting region is provided outside the seed region of the growth substrate, so even if the average dislocation density of the first semiconductor layer in the seed region is high. Light is emitted almost without being affected by the seed region (even in the high dislocation region).
  • the surface-emitting semiconductor laser according to the embodiment of the present technology is manufactured by the method of manufacturing the surface-emitting semiconductor laser according to the embodiment of the present technology.
  • the light emitting region is provided outside the high dislocation portion of the first semiconductor layer, and the surface emitting semiconductor laser of the embodiment of the present technology is manufactured. According to the method, since the light emitting region is provided outside the seed region of the growth substrate, the influence of the high dislocation portion or the seed region on the light emitting region can be suppressed. Therefore, it becomes possible to improve element characteristics such as reliability.
  • FIG. 7 is a schematic cross sectional view showing a process of the method of manufacturing the laser device shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 2A. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 2B. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 2C. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 2D. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 3A. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 3B. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 3C.
  • FIG. 3D It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 3D. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 4A. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 4B. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 4C. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 5A. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 5B. It is a cross-sectional schematic diagram showing schematic structure of the laser element which concerns on a comparative example.
  • FIG. 1 illustrates a schematic cross-sectional configuration of a surface-emitting semiconductor laser (laser element 1) according to an embodiment of the present technology.
  • the laser element 1 is, for example, a VCSEL, and in the light emitting region (light emitting region E), the first light reflecting layer 12, the semiconductor layer 13, the second electrode 14c, and the second light reflecting layer are formed on the support substrate 11 (second support substrate).
  • the light reflecting layer 16 is stacked in this order.
  • the semiconductor layer 13 has a first semiconductor layer 13a, an active layer 13b and a second semiconductor layer 13c in order from a position close to the first light reflection layer 12.
  • the laser element 1 has a first electrode 14a electrically connected to the first semiconductor layer 13a, and a pad electrode 15 electrically connected to the second electrode 14c.
  • the first light reflection layer 12 is provided in a selective region on the support substrate 11, and in the region where the first light reflection layer 12 is not provided, between the support substrate 11 and the first semiconductor layer 13a.
  • a metal layer 17 is disposed.
  • the support substrate 11 is made of, for example, a silicon (Si) substrate.
  • the first light reflection layer 12 on the support substrate 11 is a DBR (Distributed Bragg Reflector) disposed on the side of the first semiconductor layer 13 a, and is provided in a selective region including the light emitting region E.
  • the first light reflection layer 12 is opposed to the active layer 13 b with the first semiconductor layer 13 a in between, and the light generated in the active layer 13 b is made to resonate with the second light reflection layer 16. ing.
  • dielectric materials constituting the first light reflecting layer 12 include silicon (Si), magnesium (Mg), aluminum (Al), hafnium (Hf), niobium (Nb), zirconium (Zr), scandium (Sc), An oxide, nitride or fluoride containing tantalum (Ta), gallium (Ga), zinc (Zn), yttrium (Y), boron (B) and titanium (Ti) can be used.
  • the first light reflecting layer 12 can be configured by selecting two or more types of dielectric materials having different refractive indexes among these dielectric materials and alternately stacking them.
  • the first light reflecting layer 12 is made of, for example, a dielectric multilayer film such as silicon oxide (SiO 2 ) / tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
  • the number of layers (number of pairs) is, for example, fourteen.
  • the dielectric material, the thickness thereof, the number of stacked layers, etc. may be adjusted to obtain a desired reflectance.
  • the first light reflecting layer 12 may be configured of a semiconductor multilayer film.
  • the metal layer 17 is provided in the same layer as the first light reflection layer 12 on the support substrate 11, and in plan view (when viewed from a plane parallel to the surface of the support substrate 11, for example, the XY plane in FIG. 1) A metal layer 17 surrounds the first light reflecting layer 12.
  • the metal layer 17 has the same thickness as the first light reflecting layer 12. It is preferable that the heat is efficiently dissipated from the first semiconductor layer 13 a to the support substrate 11 via the metal layer 17.
  • the metal layer 17 is made of, for example, nickel (Ni).
  • gold (Au), silver (Ag), tin (Sn), titanium (Ti), platinum (Pt) or the like may be used.
  • the metal layer 17 may be composed of a single substance of these metals, or may be composed of an alloy.
  • the metal layer 17 may have a laminated structure.
  • the semiconductor layer 13 is made of, for example, a nitride-based semiconductor material such as InGaAlN, and generates, for example, light of a wavelength in an ultraviolet region or a visible region.
  • a nitride-based semiconductor material such as InGaAlN
  • gallium nitride (GaN), gallium aluminum nitride (GaAlN), indium gallium nitride (InGaN), indium gallium aluminum nitride (InGaAlN), etc. may be mentioned as nitride-based semiconductor materials such as InGaAlN.
  • the first semiconductor layer 13a is composed of n-type GaN
  • the active layer 13b is composed of InGaN
  • the second semiconductor layer 13c is composed of p-type GaN.
  • the first semiconductor layer 13a contains, for example, silicon (Si) as an n-type impurity.
  • the second semiconductor layer 13c contains, for example, magnesium (Mg) as a p-type impurity.
  • the active layer 13 b may have a quantum well structure.
  • the active layer 13 b having a quantum well structure has a stacked structure of well layers and barrier layers. As described later, this semiconductor layer 13 is formed on a growth substrate such as a sapphire substrate (growth substrate 21 in FIG. 2A described later) using an epitaxial growth method.
  • the thickness of the semiconductor layer 13 (the size in the Z direction in FIG. 1) is preferably 10 ⁇ m or less, and for example, 5 ⁇ m.
  • the total thickness of each of the first semiconductor layer 13a, the active layer 13b, and the second semiconductor layer 13c is 10 ⁇ m or less.
  • the first semiconductor layer 13 a is provided, for example, over the entire surface of the support substrate 11 via the first light reflection layer 12 or the metal layer 17.
  • the first semiconductor layer 13a is a light emitting area outside the light emitting area E in plan view (a plane parallel to the surface of the support substrate 11, for example, when viewed from the XY plane of FIG. 1). It has a region (high dislocation portion 13H) in which the average dislocation density is higher than the average dislocation density of E. In other words, in the light emitting region E, the average dislocation density of the first semiconductor layer 13a is lower than the average dislocation density of the high dislocation portion 13H. Thereby, the device characteristics of the laser device 1 can be improved.
  • the high dislocation portion 13H of the first semiconductor layer 13a extends in one direction with a predetermined width, for example. That is, the high dislocation portion 13H has a strip-like planar shape. A plurality of strip-shaped high dislocation portions 13H are arranged in a stripe shape at a predetermined interval in the first semiconductor layer 13a (two high dislocation portions 13H are shown in FIG. 1).
  • the high dislocation portion 13H is a first semiconductor layer 13a provided in a seed region (seed region 21S of FIG. 2B described later) of the growth substrate (the growth substrate 21 of FIG. 2A described later) as described later.
  • the average dislocation density of the high dislocation portion 13H is, for example, 1 ⁇ 10 9 cm ⁇ 2
  • the average dislocation density of the first semiconductor layer 13 a in the light emitting region E is, for example, about 5 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 .
  • the average dislocation density of the active layer 13b and the second semiconductor layer 13c in the portion overlapping the high dislocation portion 13H in plan view is It is higher than the average dislocation density of the part.
  • the second semiconductor layer 13c facing the first semiconductor layer 13a is provided between the active layer 13b and the second electrode 14c, and has a first portion 13c-1 and a second portion 13c-2.
  • the first portion 13c-1 faces the light emitting region E, and is provided over the entire thickness of the second semiconductor layer 13c.
  • the second portion 13c-2 is for narrowing the area of the current flowing from the second electrode 14c through the second semiconductor layer 13c (current confinement), and has an electric resistance higher than that of the first portion 13c-1.
  • the shape of the light emitting region E is defined by the opening of the second portion 13c-2, ie, the shape of the first portion 13c-1.
  • the second portion 13c-2 surrounds the first portion 13c-1 in a plan view, and is provided in part of the thickness direction of the second semiconductor layer 13c from the surface on the second electrode 14c side.
  • the second portion 13c-2 may be provided in the entire thickness direction of the second semiconductor layer 13c.
  • the second portion 13c-2 is made of, for example, p-type GaN which has a high resistance by implanting boron (B) ions.
  • the second portion 13c-2 may have an insulating property.
  • a current confinement layer may be provided separately from the second semiconductor layer 13c, or current confinement may be performed without providing the second portion 13c-2.
  • the current confinement may be performed by the mesa structure of the second semiconductor layer 13c. Openings are provided in the active layer 13b and the second semiconductor layer 13c at positions overlapping each other in a plan view, and the first semiconductor layer 13a is exposed in the openings. The first electrode 14a is in contact with the first semiconductor layer 13a at the exposed portion.
  • the light emitting region E is provided at a position separated from the high dislocation density portion 13H of the first semiconductor layer 13a in plan view.
  • the planar shape of the light emitting region E is, for example, a circle having a diameter of 8 ⁇ m.
  • the planar shape of the light emitting region E may be any shape, for example, an ellipse, a triangle, a square or a hexagon.
  • the first electrode 14a is for applying a voltage to the active layer 13b via the first semiconductor layer 13a, and is provided on the support substrate 11 with the metal layer 17 and the first semiconductor layer 13a in between. There is.
  • the first electrode 14 a is disposed at a position shifted from the light emitting region E in a plan view.
  • the first electrode 14a is made of, for example, gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), platinum (Pt), nickel (Ni), titanium (Ti), vanadium (V), tungsten (W), chromium (Cr) And metal films such as aluminum (Al), copper (Cu), zinc (Zn), tin (Sn) and indium (In).
  • the first electrode 14a may be formed of a single-layer metal film, or may be formed of a laminated metal film.
  • the first electrode 14a may be made of a conductive material other than metal.
  • the second electrode 14c is provided in a selective region on the second semiconductor layer 13c, and is electrically connected to the first portion 13c-1.
  • the second electrode 14c is for applying a voltage to the active layer 13b via the second semiconductor layer 13c.
  • the second electrode 14 c is made of, for example, a light transmitting conductive material (transparent conductive material), and is provided in a region including the light emitting region E in a plan view.
  • the transparent conductive material constituting the second electrode 14 c examples include indium tin oxide (ITO: Indium Tin Oxide), indium zinc oxide (IZO: Indium Zinc Oxide), fluorine (F) doped indium oxide In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), antimony (Sb) -doped tin oxide (SnO 2 ), fluorine (F) -doped tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), and the like.
  • the second electrode 14c may be made of a transparent conductive material whose base layer is gallium oxide, titanium oxide, niobium oxide, nickel oxide or the like.
  • the pad electrode 15 is provided from the top of the second electrode 14c to the top of the second semiconductor layer 13c, and covers the end of the second electrode 14c.
  • the pad electrode 15 is provided with an opening for exposing the second electrode 14c of the light emitting area E.
  • the pad electrode 15 is for electrically connecting the laser element 1 to an external electrode or circuit.
  • the pad electrode 15 is made of, for example, a metal such as titanium (Ti), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni) and palladium (Pd).
  • the pad electrode 15 may be formed of a single-layer metal film, or may be formed of a laminated metal film.
  • the second light reflection layer 16 is a DBR disposed on the second semiconductor layer 13 c side, and is provided in a selective region including the light emitting region E.
  • the second light reflecting layer 16 is opposed to the first light reflecting layer 12 with the semiconductor layer 13 and the second electrode 14 c interposed therebetween.
  • the dielectric materials constituting the second light reflection layer 16 include silicon (Si), magnesium (Mg), aluminum (Al), hafnium (Hf), niobium (Nb), zirconium (Zr), scandium (Sc), An oxide, nitride or fluoride containing tantalum (Ta), gallium (Ga), zinc (Zn), yttrium (Y), boron (B) and titanium (Ti) can be used.
  • the second light reflection layer 16 can be configured by selecting two or more types of dielectric materials having different refractive indexes among these dielectric materials and alternately stacking the same.
  • the second light reflection layer 16 is made of, for example, a dielectric multilayer film such as silicon oxide (SiO 2 ) / tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
  • the number of layers (number of pairs) is, for example, 11.5.
  • the dielectric material, the thickness thereof, the number of stacked layers, etc. may be adjusted to obtain a desired reflectance.
  • the second light reflecting layer 16 may be formed of a semiconductor multilayer film.
  • Such a laser element 1 can be manufactured as follows, for example, using a lateral crystal growth technique using a seed crystal disclosed in JP-A-2003-514392 (FIGS. 2A-5C). .
  • the first semiconductor layer 13a with a thickness of 2 ⁇ m is formed on the growth substrate 21 via, for example, a low-temperature buffer layer (not shown) with a thickness of 50 nm.
  • a low-temperature buffer layer (not shown) with a thickness of 50 nm.
  • the low temperature buffer layer and the first semiconductor layer 13a are formed on the entire surface of the growth substrate 21 by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the growth temperature of the low temperature buffer layer is, for example, 600 ° C.
  • the growth temperature of the first semiconductor layer 13 a is, for example, 1000 ° C.
  • gallium nitride is formed as the low temperature buffer layer
  • gallium nitride is formed as the first semiconductor layer 13a.
  • the average dislocation density of the first semiconductor layer 13a is about 1 ⁇ 10 9 cm ⁇ 2 .
  • the planar shape of the seed region 21S is, for example, a strip extending in a predetermined direction (Y direction in FIG. 2B), and the plurality of seed regions 21S are arranged at predetermined intervals. That is, the seed regions 21S are arranged in a stripe shape.
  • the extension direction (Y direction in FIG. 2B) is, for example, a strip extending in a predetermined direction (Y direction in FIG. 2B), and the plurality of seed regions 21S are arranged at predetermined intervals. That is, the seed regions 21S are arranged in a stripe shape.
  • the extension direction (Y direction in FIG.
  • the first semiconductor layer 13a after etching may contain, for example, silicon (Si) as an n-type impurity.
  • the first semiconductor layer 13a of the seed region 21S is formed on the substrate surface of the growth substrate 21 by ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method. And grow in parallel direction (lateral direction). It is preferable to select the conditions under which lateral growth is promoted, for example, to set the growth rate to a low speed by increasing the growth temperature.
  • the growth temperature is, for example, 1070 ° C.
  • the growth rate is, for example, 1 ⁇ m / h.
  • the recess 21R is provided in the growth substrate 21, the first semiconductor layer 13a grows apart from the growth substrate 21.
  • a gap exists between the grown first semiconductor layer 13 a (the first semiconductor layer 13 a other than the seed region 21 S) and the growth substrate 21.
  • Dislocations mainly extend in a direction (vertical direction) perpendicular to the substrate surface, so the average dislocation density of the first semiconductor layer 13a is low, for example, about 5 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 in portions other than the seed region 21S.
  • the first semiconductor layer 13a of the seed region 21S becomes the high dislocation portion 13H.
  • FIG. 2D shows an example in which the first semiconductor layers 13a grown from the adjacent seed regions 21S are integrated, the first semiconductor layers 13a grown from the adjacent seed regions 21S are separated. It is also good.
  • the active layer 13b and the second semiconductor layer 13c are formed in this order on the first semiconductor layer 13a.
  • the active layer 13 b and the second semiconductor layer 13 c are formed by using, for example, the MOCVD method.
  • the dislocations are threading dislocations extending in the vertical direction, and are formed over the entire semiconductor layer 13 formed in the seed region 21S. That is, the average dislocation density of the semiconductor layer 13 formed in the seed region 21S is higher than the average dislocation density of the semiconductor layer 13 in the other portions.
  • a second portion 13c-2 is formed in the second semiconductor layer 13c.
  • the second portion 13c-2 is formed, for example, by implanting boron (B) ions in part of the thickness direction of the second semiconductor layer 13c.
  • the second semiconductor layer 13c other than the second portion 13c-2 becomes the first portion 13c-1.
  • the opening of the second portion 13c-2, ie, the first portion 13c-1 is formed in a region separated from the seed region 21S (high dislocation portion 13H) in plan view.
  • the light emitting region E is formed outside the high dislocation portion 13H of the first semiconductor layer 13a in plan view.
  • the second electrode 14c and the pad electrode 15 are formed in this order. Specifically, it is performed as follows. First, a conductive film 14 made of, for example, a transparent conductive material is formed on the second semiconductor layer 13c (FIG. 3B), and then the conductive film 14 is patterned to form a second electrode 14c.
  • the conductive film 14 is formed using, for example, a PVD (Physical Vapor Deposition) method such as a vacuum evaporation method and a sputtering method. For example, photolithography and etching are used to pattern the conductive film 14.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • the conductive film 14 may be patterned using a lift-off method. After the second electrode 14c is formed, a metal film, for example, is formed on the second electrode 14c and the second semiconductor layer 13c. Thereafter, the metal film is patterned to form a pad electrode 15.
  • the first electrode 14a is formed.
  • the first electrode 14a is formed on the exposed first semiconductor layer 13a after the second semiconductor layer 13c and a part of the active layer 13b are removed by etching to expose the first semiconductor layer 13a.
  • the second light reflection layer 16 is formed on the second electrode 14c.
  • the second light reflection layer 16 may be formed, for example, by alternately depositing silicon oxide (SiO 2 ) and tungsten oxide (Ta 2 O 5 ) so as to cover the second electrode 14 c and the pad electrode 15. Form by
  • the support substrate 22 is bonded to the growth substrate 21 so that the support substrate 22 faces the growth substrate 21 with the second light reflection layer 16 interposed therebetween.
  • a silicon (Si) substrate can be used as the support substrate 22.
  • an adhesive is used.
  • the adhesive is made of, for example, a heat-resistant resin material.
  • the growth substrate 21 is peeled off from the first semiconductor layer 13a by turning upside down.
  • the growth substrate 21 is peeled off from the first semiconductor layer 13a by selectively irradiating an excimer laser toward the vicinity of the seed region 21S.
  • a low-temperature buffer layer having low crystallinity is present in the seed region 21S, and this low-temperature buffer layer absorbs and dissolves the energy of the excimer laser.
  • the first semiconductor layer 13 a other than the seed region 21 S is provided apart from the growth substrate 21, the first semiconductor layer 13 a of the seed region 21 S may be peeled off from the growth substrate 21.
  • the irradiation of the excimer laser is preferably shaped into a linear beam in accordance with the arrangement of the stripe-shaped seed region 21S.
  • the first light reflection layer 12 and the metal layer 17 are formed. Specifically, it is performed as follows. First, on the first semiconductor layer 13a (opposite to the active layer 13b), a dielectric film 12M is formed by alternately depositing, for example, silicon oxide (SiO 2 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) (see FIG. 5A). Then, the dielectric film 12M is patterned to form the first light reflection layer 12 in the region including the light emitting region E. Thereafter, the metal layer 17 is formed on the first semiconductor layer 13a (FIG. 5B).
  • a dielectric film 12M is formed by alternately depositing, for example, silicon oxide (SiO 2 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) (see FIG. 5A). Then, the dielectric film 12M is patterned to form the first light reflection layer 12 in the region including the light emitting region E. Thereafter, the metal layer 17 is formed on the first semiconductor layer 13a (FIG. 5B).
  • the support substrate 11 is opposed to the support substrate 22 with the first light reflection layer 12 and the metal layer 17 in between. to paste together.
  • the support substrate 11 is fused to the support substrate 22 using, for example, a solder.
  • the support substrate 22 is peeled off from the support substrate 11 to complete the laser device 1 shown in FIG.
  • the support substrate 22 is peeled off from the support substrate 11 by using, for example, laser irradiation with excimer laser and dry etching.
  • this laser device 1 when a predetermined voltage is applied between the first electrode 14a and the second electrode 14c, a current is injected into the active layer 13b to cause light emission due to electron-hole recombination. This light is reflected between the first light reflection layer 12 and the second light reflection layer 16 and reciprocates between them to cause laser oscillation, and is extracted from the second light reflection layer 16 side as laser light.
  • the laser light is, for example, light of a wavelength in the ultraviolet region or visible region.
  • the semiconductor layer and the light reflection layer can be formed by an epitaxial growth method. Since the epitaxial growth method can adjust the thickness in units of several nm, a laser element with high element characteristics can be easily manufactured.
  • the VCSEL of the nitride-based semiconductor material may have low device characteristics.
  • FIG. 6 shows an example (comparative example) of a method of forming a VCSEL of a nitride-based semiconductor material.
  • the first light reflection layer 112 is formed on the growth substrate 121.
  • the growth substrate 121 is, for example, a sapphire substrate.
  • the semiconductor layer 113 made of a nitride semiconductor material is formed on the first light reflecting layer 112 by using the ELO method.
  • the buffer layer 13f, the first semiconductor layer 13a, the active layer 13b, the second semiconductor layer 13c, and the contact layer 13e are formed in this order.
  • the semiconductor layer 113 grows in the lateral direction while being in contact with the first light reflection layer 112, so the crystal axis direction of the semiconductor layer 113 is easily inclined.
  • the crystal axis of the second light reflecting layer 16 formed on the semiconductor layer 113 is also inclined, and the coupling efficiency of the pair of light reflecting layers (the first light reflecting layer 112 and the second light reflecting layer 16) is reduced. Device characteristics may be degraded due to the decrease in the coupling efficiency.
  • the heating at a temperature of, for example, 1000 ° C. or more may cause the first light reflecting layer 112 to deteriorate due to the heating at a high temperature. Deterioration of device characteristics due to this may also occur.
  • GaN gallium nitride
  • GaN gallium nitride
  • the diameter of available gallium nitride (GaN) substrates is small, for example 2 inches or less. Therefore, using a gallium nitride (GaN) substrate as the growth substrate 121 is disadvantageous in terms of cost.
  • sapphire substrates are inexpensive and readily available in large diameter (for example, 4 inches).
  • the dislocation density of this semiconductor layer is higher than when using a gallium nitride (GaN) substrate, and is approximately 1 ⁇ 10 9 cm. -2
  • This high dislocation density is acceptable for light emitting diodes (LEDs), but affects the reliability of the device for VCSELs.
  • the VCSEL is to drive at a higher current density than the LED.
  • the laser device 1 even when the first semiconductor layer 13a has the high dislocation portion 13H, the light emitting region E is provided outside the high dislocation portion 13H in plan view. Thus, the laser device 1 emits light without being substantially affected by the high dislocation density portion 13H.
  • the mask layer (the mask layer 122 in FIGS. 6A and 6B) is not used, the crystal axis of the semiconductor layer 13 does not incline, and the first light reflection layer 12 and the second light reflection layer 16 deteriorate due to high temperature. I have nothing to do.
  • the semiconductor layer 13 is formed using the ELO method, its thickness can be adjusted in ⁇ m units. That is, the semiconductor layer 13 with a small thickness can be formed.
  • the first semiconductor layer 13a is grown on the growth substrate 21 having the recess 21R by the lateral growth technique, the dislocation density of the first semiconductor layer 13a is low except in the seed region 21S. Therefore, it is possible to use a sapphire substrate as the growth substrate 21.
  • the light emitting region E is provided outside the high dislocation density part 13H of the first semiconductor layer 13a, suppressing the influence of the high dislocation density part 13H from the light emitting region E it can. Therefore, it becomes possible to improve element characteristics such as reliability.
  • the mask layer (the mask layer 122 in FIGS. 6A and 6B) is not used, deterioration in element characteristics due to the mask layer can be suppressed.
  • the semiconductor layer 13 having a thickness of 10 ⁇ m or less can be formed. Therefore, the generation of diffraction loss due to the spread of light can be suppressed, and the deterioration of the device characteristics can be suppressed.
  • the sapphire substrate can be used as the growth substrate 21 by forming the semiconductor layer 13 using a lateral growth technique using a seed crystal. Thereby, the manufacturing cost of the laser device 1 can be suppressed.
  • the laser device 1 of the present technology can be applied to electronic devices such as displays and lighting devices, for example.
  • the present technology has been described above by the embodiment. However, the present technology is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made.
  • the components, the arrangement, the number, and the like of the laser device 1 exemplified in the above embodiment are merely examples, and it is not necessary to include all the components, and may further include other components. .
  • the first semiconductor layer has a high dislocation portion having an average dislocation density higher than an average dislocation density of the light emitting region outside the light emitting region.
  • the surface-emitting semiconductor laser according to (1) further including a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the semiconductor layer.
  • it has a support substrate, The first light reflecting layer, the first semiconductor layer, the active layer, the second semiconductor layer, and the second light reflecting layer are provided in order from a position close to the support substrate.
  • (1) to (3) The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above.
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer contain GaN, The surface emitting semiconductor laser according to any one of (1) to (5), wherein the active layer includes InGaN.
  • the total of the thickness of each of said 1st semiconductor layer, said active layer, and said 2nd semiconductor layer is 10 micrometers or less, The surface emitting semiconductor laser as described in any one of said (1) thru
  • the first semiconductor layer When growing the first semiconductor layer from the seed region, the first semiconductor layer is grown apart from the growth substrate in portions other than the seed region.
  • the first semiconductor layer in the seed region is formed by etching the first semiconductor layer formed on the growth substrate.
  • Method. (13)
  • the average dislocation density of the first semiconductor layer is higher than the average dislocation density of the light emitting region.
  • the surface emitting semiconductor laser according to any one of (10) to (13). Production method.

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Abstract

窒化物半導体を含み、第１半導体層、活性層および第２半導体層がこの順に積層されるとともに、発光領域が設けられた半導体層と、前記半導体層を間にして互いに対向する第１光反射層および第２光反射層とを備え、前記第１半導体層は、前記発光領域の外側に、前記発光領域の平均転位密度よりも高い平均転位密度を有する高転位部を有する面発光半導体レーザ。

Description

面発光半導体レーザおよびその製造方法
　本技術は、窒化物半導体を含む面発光半導体レーザおよびその製造方法に関する。
　窒化物半導体を含む面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。窒化物半導体は、約０．７ｅＶ～６．２ｅＶのバンドギャップを有することから、近赤外領域から深紫外領域までの波長域をカバーすることができる。このため、窒化物半導体を含むＶＣＳＥＬでは、ヒ素（Ａｓ）またはリン（Ｐ）などを含む化合物半導体よりも短波長の光を出射することができる。
特開平１０－３０８５５８号公報
　窒化物半導体を含む面発光半導体レーザでは、例えば信頼性等の素子特性をより向上させることが望まれている。
　したがって、素子特性をより向上させることが可能な面発光半導体レーザおよびその製造方法を提供することが望ましい。
　本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザは、窒化物半導体を含み、第１半導体層、活性層および第２半導体層がこの順に積層されるとともに、発光領域が設けられた半導体層と、半導体層を間にして互いに対向する第１光反射層および第２光反射層とを備え、第１半導体層は、発光領域の外側に、発光領域の平均転位密度よりも高い平均転位密度を有する高転位部を有するものである。
　本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザでは、第１半導体層の高転位部の外側に発光領域が設けられるので、第１半導体層に高転位部が存在していても、高転位部の影響をほぼ受けずに発光がなされる。
　本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザの製造方法は、成長基板に選択的に設けられた種領域に、第１半導体層を形成し、種領域から、成長基板の面と平行方向に第１半導体層を成長させた後、第１半導体層に、活性層および第２半導体層をこの順に積層し、種領域の外側に発光領域を形成し、第２半導体層を間にして活性層に対向する第２光反射層を形成し、第２光反射層を間にして成長基板に第１支持基板を貼り合わせた後、成長基板を剥離し、活性層を間にして第２光反射層に対向する第１光反射層を形成するものである。
　本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザの製造方法では、成長基板の種領域の外側に発光領域が設けられるので、仮に、種領域の第１半導体層の平均転位密度が高くても（高転位部であっても）、この種領域の影響をほぼ受けずに、発光がなされる。例えば、本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザの製造方法により、上記本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザが製造される。
　本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザによれば、第１半導体層の高転位部の外側に発光領域を設けるようにし、本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザの製造方法によれば、成長基板の種領域の外側に発光領域を設けるようにしたので、高転位部または種領域から発光領域への影響を抑えることができる。よって、信頼性等の素子特性を向上させることが可能となる。
　尚、上記内容は本開示の一例である。本開示の効果は、上述したものに限らず、他の異なる効果であってもよいし、更に他の効果を含んでいてもよい。
本技術の一実施の形態に係るレーザ素子の概略構成を表す断面模式図である。 図１に示したレーザ素子の製造方法の一工程を表す断面模式図である。 図２Ａに続く工程を表す断面模式図である。 図２Ｂに続く工程を表す断面模式図である。 図２Ｃに続く工程を表す断面模式図である。 図２Ｄに続く工程を表す断面模式図である。 図３Ａに続く工程を表す断面模式図である。 図３Ｂに続く工程を表す断面模式図である。 図３Ｃに続く工程を表す断面模式図である。 図３Ｄに続く工程を表す断面模式図である。 図４Ａに続く工程を表す断面模式図である。 図４Ｂに続く工程を表す断面模式図である。 図４Ｃに続く工程を表す断面模式図である。 図５Ａに続く工程を表す断面模式図である。 図５Ｂに続く工程を表す断面模式図である。 比較例に係るレーザ素子の概略構成を表す断面模式図である。
　以下、本技術の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　〔実施の形態〕
　図１は、本技術の一実施の形態に係る面発光半導体レーザ（レーザ素子１）の模式的な断面構成を表したものである。このレーザ素子１は、例えばＶＣＳＥＬであり、発光領域（発光領域Ｅ）では、支持基板１１（第２支持基板）上に、第１光反射層１２、半導体層１３、第２電極１４ｃおよび第２光反射層１６がこの順に積層されている。半導体層１３は、第１光反射層１２に近い位置から順に、第１半導体層１３ａ、活性層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃを有している。レーザ素子１は、第１半導体層１３ａに電気的に接続された第１電極１４ａと、第２電極１４ｃに電気的に接続されたパッド電極１５とを有している。第１光反射層１２は、支持基板１１上の選択的な領域に設けられており、第１光反射層１２の設けられていない領域では、支持基板１１と第１半導体層１３ａとの間に金属層１７が配置されている。
　支持基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板により構成されている。
　支持基板１１上の第１光反射層１２は、第１半導体層１３ａ側に配置されたＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)であり、発光領域Ｅを含む選択的な領域に設けられている。第１光反射層１２は、第１半導体層１３ａを間にして活性層１３ｂと対向しており、活性層１３ｂで発生した光を、第２光反射層１６との間で共振させるようになっている。
　第１光反射層１２を構成する誘電体材料には、シリコン（Ｓｉ），マグネシウム（Ｍｇ），アルミニウム（Ａｌ），ハフニウム（Ｈｆ），ニオブ（Ｎｂ），ジルコニウム（Ｚｒ），スカンジウム（Ｓｃ），タンタル（Ｔａ），ガリウム（Ｇａ），亜鉛（Ｚｎ），イットリウム（Ｙ），ホウ素（Ｂ）およびチタン（Ｔｉ）等を含む酸化物、窒化物またはフッ化物を用いることができる。具体的には、酸化シリコン（ＳｉＯ2），酸化チタン（ＴｉＯ2），酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2），酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が挙げられる。これらの誘電体材料のうち、屈折率が異なる誘電体材料を２種類以上選択して、交互に積層することにより、第１光反射層１２を構成することができる。第１光反射層１２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）/酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）等の誘電体多層膜により構成されている。この積層数（ペア数）は、例えば１４である。所望の反射率が得られるように、誘電体材料、その厚みおよび積層数等を調整すればよい。第１光反射層１２は、半導体多層膜により構成するようにしてもよい。
　例えば、支持基板１１上の第１光反射層１２と同層に金属層１７が設けられ、平面視で（支持基板１１の面と平行な面、例えば、図１のＸＹ平面から見たとき）金属層１７が第１光反射層１２を囲んでいる。この金属層１７は、第１光反射層１２と同じ厚みを有している。第１半導体層１３ａから金属層１７を介して、支持基板１１へ効率よく放熱されることが好ましい。金属層１７は、例えばニッケル（Ｎｉ）により構成されている。金属層１７には金（Ａｕ），銀（Ａｇ），スズ（Ｓｎ），チタン（Ｔｉ）および白金（Ｐｔ）等を用いるようにしてもよい。金属層１７は、これらの金属の単体により構成されていてもよく、あるいは合金により構成されていてもよい。金属層１７は、積層構造を有していてもよい。
　半導体層１３は、例えばＩｎＧａＡｌＮ系等の窒化物系半導体材料により構成されており、例えば、紫外領域または可視領域の波長の光を発生させるものである。具体的には、ＩｎＧａＡｌＮ系等の窒化物系半導体材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ），窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ），窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）が挙げられる。例えば、第１半導体層１３ａはｎ型のＧａＮ、活性層１３ｂはＩｎＧａＮ、第２半導体層１３ｃはｐ型のＧａＮにより構成されている。第１半導体層１３ａは、例えばｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）を含んでいる。第２半導体層１３ｃは、例えばｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）を含んでいる。活性層１３ｂは、量子井戸構造を有していてもよい。量子井戸構造を有する活性層１３ｂは、井戸層および障壁層の積層構造を有している。後述するように、この半導体層１３は、例えばサファイア基板等の成長基板（後述の図２Ａの成長基板２１）上にエピタキシャル成長法を用いて形成されたものである。半導体層１３の厚み（図１のＺ方向の大きさ）は、１０μｍ以下であることが好ましく、例えば５μｍである。より具体的には、第１半導体層１３ａ、活性層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃ各々の厚みの合計は、１０μｍ以下である。半導体層１３の厚みを１０μｍ以下とすることにより、光の広がりに起因した回折損失の発生を抑えることができる。
　第１半導体層１３ａは、第１光反射層１２または金属層１７を介して、例えば、支持基板１１の全面にわたり設けられている。本実施の形態では、この第１半導体層１３ａが、平面視で（支持基板１１の面と平行な面、例えば、図１のＸＹ平面から見たとき）、発光領域Ｅの外側に、発光領域Ｅの平均転位密度よりも平均転位密度が高い領域（高転位部１３Ｈ）を有している。換言すれば、発光領域Ｅでは、第１半導体層１３ａの平均転位密度は、高転位部１３Ｈの平均転位密度より低くなっている。これにより、レーザ素子１の素子特性を向上させることができる。
　第１半導体層１３ａの高転位部１３Ｈは、例えば、所定の幅で一方向に延在している。即ち、高転位部１３Ｈは、帯状の平面形状を有している。この帯状の高転位部１３Ｈは、第１半導体層１３ａに、所定の間隔で、ストライプ状に複数配置されている（図１には、２つの高転位部１３Ｈを示している）。高転位部１３Ｈは、後述するように、成長基板（後述の図２Ａの成長基板２１）の種領域（後述の図２Ｂの種領域２１Ｓ）に設けられた第１半導体層１３ａである。高転位部１３Ｈの平均転位密度は、例えば１×１０9ｃｍ-2であり、発光領域Ｅの第１半導体層１３ａの平均転位密度は、例えば５×１０6ｃｍ-2程度である。後述するように、種領域の転位は垂直方向に貫通して設けられるので、例えば、平面視で高転位部１３Ｈに重なる部分の活性層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃの平均転位密度は、他の部分の平均転位密度に比べて高くなっている。
　第１半導体層１３ａと第２半導体層１３ｃとの間の活性層１３ｂでは、第１電極１４ａと第２電極１４ｃとの間に所定の電圧が印加されることにより、発光が生じるようになっている。第１半導体層１３ａに対向する第２半導体層１３ｃは、活性層１３ｂと第２電極１４ｃとの間に設けられ、第１部分１３ｃ－１および第２部分１３ｃ－２を有している。第１部分１３ｃ－１は、発光領域Ｅに対向し、第２半導体層１３ｃの厚み方向全部にわたって設けられている。第２部分１３ｃ－２は、第２電極１４ｃから第２半導体層１３ｃを介して流れる電流の面積を狭める（電流狭窄する）ためのものであり、第１部分１３ｃ－１よりも高い電気抵抗を有している。この第２部分１３ｃ－２を設けることにより、第１部分１３ｃ－１に電流が集中して流れるようになっている。換言すれば、第２部分１３ｃ－２の開口、即ち第１部分１３ｃ－１の形状により、発光領域Ｅの形状が規定される。第２部分１３ｃ－２は、平面視で第１部分１３ｃ－１を囲んでおり、第２電極１４ｃ側の面から、第２半導体層１３ｃの厚み方向の一部に設けられている。第２半導体層１３ｃの厚み方向の全部に第２部分１３ｃ－２を設けるようにしてもよい。第２部分１３ｃ－２は、例えばホウ素（Ｂ）イオンを注入することにより高抵抗化されたｐ型のＧａＮにより構成されている。第２部分１３ｃ－２は、絶縁性を有していてもよい。第２半導体層１３ｃとは別に電流狭窄層を設けてもよく、あるいは、第２部分１３ｃ－２を設けずに、電流狭窄を行うことも可能である。例えば、第２半導体層１３ｃのメサ構造により電流狭窄を行うようにしてもよい。活性層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃには、互いに平面視で重なる位置に開口が設けられており、この開口では第１半導体層１３ａが露出されている。この露出された部分で、第１電極１４ａが第１半導体層１３ａに接している。
　発光領域Ｅは、平面視で第１半導体層１３ａの高転位部１３Ｈから離間した位置に設けられている。発光領域Ｅの平面形状は、例えば、直径８μｍの円である。発光領域Ｅの平面形状は、どのような形状であってもよく、例えば楕円，三角形，四角形または六角形等であってもよい。
　第１電極１４ａは、第１半導体層１３ａを介して活性層１３ｂに電圧を印加するためのものであり、金属層１７および第１半導体層１３ａを間にして、支持基板１１上に設けられている。第１電極１４ａは、平面視で、発光領域Ｅからずれた位置に配置されている。第１電極１４ａは、例えば金（Ａｕ），銀（Ａｇ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），タングステン（Ｗ），クロム（Ｃｒ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），スズ（Ｓｎ）およびインジウム（Ｉｎ）等の金属膜により構成されている。第１電極１４ａは、単層の金属膜により構成するようにしてもよく、あるいは、積層構造の金属膜により構成するようにしてもよい。金属以外の導電材料により第１電極１４ａを構成するようにしてもよい。
　第２電極１４ｃは、第２半導体層１３ｃ上の選択的な領域に設けられ、第１部分１３ｃ－１に電気的に接続されている。この第２電極１４ｃは、第２半導体層１３ｃを介して活性層１３ｂに電圧を印加するためのものである。第２電極１４ｃは、例えば光透過性の導電材料（透明導電材料）により構成されており、平面視で発光領域Ｅを含む領域に設けられている。第２電極１４ｃを構成する透明導電材料としては、例えば、インジウム―スズ酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide），インジウム―亜鉛酸化物（ＩＺＯ：Indium Zinc Oxide），フッ素（Ｆ）ドープの酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3），酸化スズ（ＳｎＯ2），アンチモン（Ｓｂ）ドープの酸化スズ（ＳｎＯ2），フッ素（Ｆ）ドープの酸化スズ（ＳｎＯ2）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が挙げられる。ガリウム酸化物，チタン酸化物，ニオブ酸化物またはニッケル酸化物等を母層とする透明導電材料により第２電極１４ｃを構成するようにしてもよい。
　パッド電極１５は、第２電極１４ｃ上から第２半導体層１３ｃ上にかけて設けられ、第２電極１４ｃの端部を覆っている。このパッド電極１５には、発光領域Ｅの第２電極１４ｃを露出させる開口が設けられている。このパッド電極１５は、レーザ素子１を外部の電極または回路と電気的に接続するためのものである。パッド電極１５は、例えば、チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），ニッケル（Ｎｉ）およびパラジウム（Ｐｄ）等の金属により構成されている。パッド電極１５は、単層の金属膜により構成するようにしてもよく、あるいは、積層構造の金属膜により構成するようにしてもよい。
　第２光反射層１６は、第２半導体層１３ｃ側に配置されたＤＢＲであり、発光領域Ｅを含む選択的な領域に設けられている。この第２光反射層１６は、半導体層１３および第２電極１４ｃを間にして、第１光反射層１２に対向している。第２光反射層１６を構成する誘電体材料には、シリコン（Ｓｉ），マグネシウム（Ｍｇ），アルミニウム（Ａｌ），ハフニウム（Ｈｆ），ニオブ（Ｎｂ），ジルコニウム（Ｚｒ），スカンジウム（Ｓｃ），タンタル（Ｔａ），ガリウム（Ｇａ），亜鉛（Ｚｎ），イットリウム（Ｙ），ホウ素（Ｂ）およびチタン（Ｔｉ）等を含む酸化物、窒化物またはフッ化物を用いることができる。具体的には、酸化シリコン（ＳｉＯ2），酸化チタン（ＴｉＯ2），酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2），酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が挙げられる。これらの誘電体材料のうち、屈折率が異なる誘電体材料を２種類以上選択して、交互に積層することにより、第２光反射層１６を構成することができる。第２光反射層１６は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）/酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）等の誘電体多層膜により構成されている。この積層数（ペア数）は、例えば１１．５である。所望の反射率が得られるように、誘電体材料、その厚みおよび積層数等を調整すればよい。第２光反射層１６は、半導体多層膜により構成するようにしてもよい。
　このようなレーザ素子１は、例えば、特表２００３－５１４３９２号に開示されている、種結晶を用いた横方向成長技術を用いて、以下のように製造することができる（図２Ａ～５Ｃ）。
　まず、図２Ａに示したように、成長基板２１上に例えば厚み５０ｎｍの低温バッファ層（図示せず）を介して、厚み２μｍの第１半導体層１３ａを成膜する。成長基板２１には、例えばｃ面サファイア基板を用いることができる。低温バッファ層および第１半導体層１３ａは、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて成長基板２１の全面に形成する。低温バッファ層の成長温度は例えば、６００℃であり、第１半導体層１３ａの成長温度は例えば、１０００℃である。低温バッファ層として、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）を成膜し、第１半導体層１３ａとして、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）を成膜する。このとき、例えば、第１半導体層１３ａの平均転位密度は、１×１０9ｃｍ-2程度である。
　成長基板２１上に、第１半導体層１３ａを成膜した後、図２Ｂに示したように、この第１半導体層１３ａの一部を除去し、成長基板２１の選択的な領域（種領域２１Ｓ）のみに第１半導体層１３ａを残す。この種領域２１Ｓに残った第１半導体層１３ａは、種結晶として機能する。種領域２１Ｓの平面形状は、例えば所定の方向（図２ＢのＹ方向）に延在する帯状であり、複数の種領域２１Ｓが互いに所定の間隔で配置されている。即ち、種領域２１Ｓは、ストライプ状に配置されている。種領域２１Ｓの延在方向（図２ＢのＹ方向）は、例えば、〈１－１００〉方向と平行であり、種領域２１Ｓの幅（図２ＢのＸ方向の大きさ）は、例えば３μｍである。隣り合う種領域２１Ｓの間隔（図２ＢのＸ方向の距離）は、例えば、３０μｍである。第１半導体層１３ａの一部は、例えばドライエッチングによりエッチングする。第１半導体層１３ａをエッチングする際に、成長基板２１の一部もエッチングしておく。これにより、成長基板２１の種領域２１Ｓの間に凹部２１Ｒが形成される。凹部２１Ｒの深さ（図２ＢのＺ方向の距離）は、例えば、０．１μｍである。エッチング後の第１半導体層１３ａは、例えばｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）を含んでいてもよい。
　第１半導体層１３ａおよび成長基板２１をエッチングした後、図２Ｃ，２Ｄに示したように、種領域２１Ｓの第１半導体層１３ａを、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法により、成長基板２１の基板面と平行方向（横方向）に成長させる。横方向の成長が促進される条件を選択することが好ましく、例えば、成長温度を高めに、成長速度を低速に設定する。成長温度は例えば、１０７０℃であり、成長速度は例えば、１μｍ/ｈである。ここでは、成長基板２１に凹部２１Ｒが設けられているので、第１半導体層１３ａは成長基板２１から離間して成長する。換言すれば、成長した第１半導体層１３ａ（種領域２１Ｓ以外の第１半導体層１３ａ）と成長基板２１との間には間隙が存在する。転位は主に基板面と垂直方向（縦方向）に延びるため、種領域２１Ｓ以外の部分では、第１半導体層１３ａの平均転位密度が低くなり、例えば５×１０6ｃｍ-2程度となる。種領域２１Ｓの第１半導体層１３ａが、高転位部１３Ｈとなる。
　図２Ｄには、隣り合う種領域２１Ｓから成長させた第１半導体層１３ａが一体化されている例を示したが、隣り合う種領域２１Ｓから成長させた第１半導体層１３ａが分離されていてもよい。
　種領域２１Ｓから第１半導体層１３ａを成長させた後、第１半導体層１３ａ上に、活性層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃをこの順に形成する。活性層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃは、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて形成する。転位は垂直方向に延びる貫通転位であり、種領域２１Ｓに形成される半導体層１３全体にわたって形成される。即ち、種領域２１Ｓに形成される半導体層１３の平均転位密度は、他の部分の半導体層１３の平均転位密度よりも高くなる。
　次いで、図３Ａに示したように、第２半導体層１３ｃに第２部分１３ｃ－２を形成する。第２部分１３ｃ－２は、例えば、第２半導体層１３ｃの厚み方向の一部にホウ素（Ｂ）イオンを注入することにより形成する。このとき、第２部分１３ｃ－２以外の第２半導体層１３ｃが第１部分１３ｃ－１となる。本実施の形態では、平面視で種領域２１Ｓ（高転位部１３Ｈ）から離れた領域に第２部分１３ｃ－２の開口、即ち第１部分１３ｃ－１を形成する。これにより、平面視で第１半導体層１３ａの高転位部１３Ｈの外側に発光領域Ｅが形成される。
　第２半導体層１３ｃに第２部分１３ｃ－２を形成した後、図３Ｂ，３Ｃに示したように、第２電極１４ｃおよびパッド電極１５をこの順に形成する。具体的には、以下のように行う。まず、第２半導体層１３ｃ上に、例えば透明導電材料からなる導電膜１４を成膜した後（図３Ｂ）、この導電膜１４をパターニングして第２電極１４ｃを形成する。導電膜１４は、例えば、真空蒸着法およびスパッタリング法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いて形成する。導電膜１４のパターニングには、例えば、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いる。あるいは、リフトオフ法を用いて導電膜１４をパターニングするようにしてもよい。第２電極１４ｃを形成した後、第２電極１４ｃ上から第２半導体層１３ｃ上に、例えば金属膜を成膜する。この後、この金属膜をパターニングすることにより、パッド電極１５が形成される。
　パッド電極１５を形成した後、図３Ｄに示したように、第１電極１４ａを形成する。第１電極１４ａは、第２半導体層１３ｃおよび活性層１３ｂの一部をエッチングにより除去して第１半導体層１３ａを露出させた後、この露出した第１半導体層１３ａ上に形成する。
　次いで、図４Ａに示したように、第２電極１４ｃ上に第２光反射層１６を形成する。第２光反射層１６は、第２電極１４ｃおよびパッド電極１５を覆うように、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）および酸化タングステン（Ｔａ2Ｏ5）を交互に成膜した後、これをパターニングすることにより形成する。
　続いて、図４Ｂに示したように、この第２光反射層１６を間にして、成長基板２１に支持基板２２が対向するように、成長基板２１に支持基板２２を貼り合わせる。支持基板２２には、例えばシリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。支持基板２２を成長基板２１に貼り合わせる際には、例えば、接着剤を用いる。この接着剤は、例えば、耐熱性の樹脂材料により構成されている。
　次に、図４Ｃに示したように、上下反転させて、第１半導体層１３ａから成長基板２１を剥離する。例えば、エキシマレーザを、種領域２１Ｓ近傍に向けて、選択的に照射することにより、成長基板２１が第１半導体層１３ａから剥離される。これは、種領域２１Ｓに、結晶性の低い低温バッファ層が存在し、この低温バッファ層がエキシマレーザのエネルギーを吸収して溶解するためである。種領域２１Ｓ以外の第１半導体層１３ａは、成長基板２１から離れて設けられているので、種領域２１Ｓの第１半導体層１３ａを成長基板２１から剥離すればよい。エキシマレーザの照射は、ストライプ状の種領域２１Ｓの配置に合わせて、ライン状ビームに成形されていることが好ましい。
　第１半導体層１３ａから成長基板２１を剥離した後、図５Ａ，５Ｂに示したように、第１光反射層１２および金属層１７を形成する。具体的には、以下のように行う。まず、第１半導体層１３ａ上（活性層１３ｂと反対面）に、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）および酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）を交互に成膜した誘電体膜１２Ｍを形成する（図５Ａ）。次いで、この誘電体膜１２Ｍをパターニングして、発光領域Ｅを含む領域に第１光反射層１２を形成する。この後、第１半導体層１３ａ上に金属層１７を形成する（図５Ｂ）。
　第１光反射層１２および金属層１７を形成した後、図５Ｃに示したように、第１光反射層１２および金属層１７を間にして、支持基板２２に対向するように支持基板１１を貼り合わせる。支持基板１１は、支持基板２２に例えば、半田を用いて融着される。
　最後に、支持基板２２を支持基板１１から剥離することにより、図１に示したレーザ素子１が完成する。支持基板２２は、例えばエキシマレーザによるレーザ照射およびドライエッチングを用いることにより、支持基板１１から剥離する。
（動作）
　このレーザ素子１では第１電極１４ａと第２電極１４ｃとの間に所定の電圧が印可されると、活性層１３ｂに電流が注入されて、電子―正孔再結合により発光が起こる。この光は、第１光反射層１２と第２光反射層１６との間で反射され、これらの間を往復してレーザ発振を生じ、レーザ光として第２光反射層１６側から取り出される。レーザ光は、例えば、紫外領域または可視領域の波長の光である。
（作用・効果）
　本実施の形態のレーザ素子１では、平面視で第１半導体層１３ａの高転位部１３Ｈから離れた位置に発光領域Ｅが設けられているので、高転位部１３Ｈの影響をほぼ受けずに発光がなされる。以下、これについて説明する。
　例えば、ＧａＡｓ系材料のＶＣＳＥＬであれば、半導体層および光反射層をエピタキシャル成長法により形成することが可能である。エピタキシャル成長法は、数ｎｍ単位での厚みの調整を行うことができるので、高い素子特性のレーザ素子を容易に製造することができる。
　一方、窒化物系半導体材料のＶＣＳＥＬでは、光反射層の形成にエピタキシャル成長を用いることが困難である。このような製造方法の問題に起因して、窒化物系半導体材料のＶＣＳＥＬは、素子特性が低くなるおそれがある。
　図６は、窒化物系半導体材料のＶＣＳＥＬを形成する方法の一例（比較例）を表したものである。例えば、まず、成長基板１２１上に第１光反射層１１２を形成する。成長基板１２１は、例えばサファイア基板である。次いで、この第１光反射層１１２上に、窒化物半導体材料からなる半導体層１１３を、ＥＬＯ法を用いて形成する。その後、この半導体層１１３上に、バッファ層１３ｆ、第１半導体層１３ａ、活性層１３ｂ、第２半導体層１３ｃおよびコンタクト層１３ｅをこの順に形成する。
　このようにＶＣＳＥＬを形成すると、半導体層１１３は第１光反射層１１２に接触しながら横方向に成長するので、半導体層１１３の結晶軸方向が傾斜しやすい。この半導体層１１３上に形成する第２光反射層１６の結晶軸も傾斜し、一対の光反射層（第１光反射層１１２，第２光反射層１６）の結合効率が低下する。この結合効率の低下に起因して素子特性が低くなるおそれがある。
　また、半導体層１１３を成長させる際には、例えば１０００℃以上の温度に加熱するため、この高温での加熱が第１光反射層１１２を劣化させるおそれがある。これに起因した素子特性の低下も生じ得る。
　また、成長基板１２１として窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いることも可能である。この成長基板１２１を研磨することにより薄膜化し、この薄膜化した成長基板１２１を半導体層１１３の一部として用いることも考え得る。しかし、研磨ではμｍ単位での厳密な厚みの調整が困難であり、共振器長が長くなってしまう。このため、光の広がりに起因した回折損失が生じやすい。
　更に、成長基板１２１として用いる窒化ガリウム（ＧａＮ）基板は高価である。加えて、入手可能な窒化ガリウム（ＧａＮ）基板の口径は小さく、例えば、２インチ以下である。このため、成長基板１２１として窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を使用すると、コスト面で不利となる。
　一方、サファイア基板は、安価で、かつ、大口径（例えば４インチ）のものが容易に入手可能である。しかし、サファイア基板上に、低温バッファ層を介して窒化物半導体材料を成長させると、この半導体層の転位密度は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いたときよりも高く、およそ１×１０9ｃｍ-2である。この高い転位密度は、ＬＥＤ（light Emitting Diode）では許容されるが、ＶＣＳＥＬでは、素子の信頼性に影響を及ぼす。ＶＣＳＥＬは、ＬＥＤよりも、より高い電流密度で駆動するためである。
　これに対し、レーザ素子１では、第１半導体層１３ａが高転位部１３Ｈを有していても、平面視で、この高転位部１３Ｈの外側に発光領域Ｅが設けられている。これにより、高転位部１３Ｈの影響をほぼ受けることなく、レーザ素子１では発光がなされる。
　また、マスク層（図６Ａ，６Ｂのマスク層１２２）を用いないので、半導体層１３の結晶軸が傾斜することがなく、第１光反射層１２，第２光反射層１６が高温により劣化することもない。
　更に、半導体層１３は、ＥＬＯ法を用いて形成されるので、μｍ単位で、その厚みを調整することができる。即ち、厚みの小さい半導体層１３を形成することができる。
　加えて、横方向成長技術により、凹部２１Ｒを有する成長基板２１で、第１半導体層１３ａを成長させるので、種領域２１Ｓ以外では第１半導体層１３ａの転位密度は低くなる。したがって、成長基板２１にはサファイア基板を用いることが可能である。
　以上説明したように、本実施の形態では、第１半導体層１３ａの高転位部１３Ｈの外側に発光領域Ｅを設けるようにしたので、高転位部１３Ｈから発光領域Ｅへの影響を抑えることができる。よって、信頼性等の素子特性を向上させることが可能となる。
　また、マスク層（図６Ａ，６Ｂのマスク層１２２）を用いずに形成するので、このマスク層に起因した素子特性の低下も抑えることができる。
　更に、ＥＬＯ法を用いることにより、厚みが１０μｍ以下の半導体層１３を形成することができる。よって、光の広がりに起因した回折損失の発生が抑えられ、素子特性の低下を抑えることができる。
　加えて、種結晶を使用した横方向成長技術を用いて半導体層１３を形成することにより、成長基板２１にサファイア基板を用いることが可能となる。これにより、レーザ素子１の製造コストを抑えることができる。
〔適用例〕
　本技術のレーザ素子１は、例えばディスプレイおよび照明機器等の電子機器に適用することができる。
　以上、実施の形態を挙げて本技術を説明したが、本技術は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態において例示したレーザ素子１の構成要素、配置および数等は、あくまで一例であり、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素を更に備えていてもよい。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であってこれに限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
　なお、本技術は、以下のような構成も可能である。
（１）
　窒化物半導体を含み、第１半導体層、活性層および第２半導体層がこの順に積層されるとともに、発光領域が設けられた半導体層と、
　前記半導体層を間にして互いに対向する第１光反射層および第２光反射層とを備え、
　前記第１半導体層は、前記発光領域の外側に、前記発光領域の平均転位密度よりも高い平均転位密度を有する高転位部を有する
　面発光半導体レーザ。
（２）
　更に、前記半導体層に電圧を印加するための第１電極および第２電極を有する
　前記（１）に記載の面発光半導体レーザ。
（３）
　前記第２電極は、光透過性の導電材料により構成されている
　前記（２）に記載の面発光半導体レーザ。
（４）
　更に、支持基板を有し、
　前記支持基板に近い位置から順に、前記第１光反射層、前記第１半導体層、前記活性層、前記第２半導体層および前記第２光反射層が設けられている
　前記（１）ないし（３）のうちいずれか１つに記載の面発光半導体レーザ。
（５）
　前記支持基板は、シリコン（Ｓｉ）基板である
　前記（５）に記載の面発光半導体レーザ。
（６）
　前記第１半導体層および前記第２半導体層はＧａＮを含み、
　前記活性層はＩｎＧａＮを含む
　前記（１）ないし（５）のうちいずれか１つに記載の面発光半導体レーザ。
（７）
　前記第２半導体層は、前記発光領域に対向する第１部分と、前記第１部分よりも電気抵抗の高い第２部分とを有する
　前記（１）ないし（６）のうちいずれか１つに記載の面発光半導体レーザ。
（８）
　前記第２部分はホウ素（Ｂ）イオンを含む
　前記（７）に記載の面発光半導体レーザ。
（９）
　前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層各々の厚みの合計は１０μｍ以下である
　前記（１）ないし（８）のうちいずれか１つに記載の面発光半導体レーザ。
（１０）
　成長基板に選択的に設けられた種領域に、第１半導体層を形成し、
　前記種領域から、前記成長基板の面と平行方向に前記第１半導体層を成長させた後、前記第１半導体層に、活性層および第２半導体層をこの順に積層し、
　前記種領域の外側に発光領域を形成し、
　前記第２半導体層を間にして前記活性層に対向する第２光反射層を形成し、
　前記第２光反射層を間にして前記成長基板に第１支持基板を貼り合わせた後、前記成長基板を剥離し、
　前記活性層を間にして前記第２光反射層に対向する第１光反射層を形成する
　面発光半導体レーザの製造方法。
（１１）
　前記種領域から前記第１半導体層を成長させる際、前記種領域以外の部分では、前記第１半導体層は前記成長基板から離れて成長する
　前記（１０）に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
（１２）
　前記種領域の前記第１半導体層は、前記成長基板上に形成された前記第１半導体層をエッチングすることにより形成されている
　前記（１０）または（１１）に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
（１３）
　前記第１半導体層の前記エッチングとともに、前記成長基板をエッチングする
　前記（１２）に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
（１４）
　前記種領域では、前記第１半導体層の平均転位密度が前記発光領域の平均転位密度よりも高くなっている
　前記（１０）ないし（１３）のうちいずれか１つに記載の面発光半導体レーザの製造方法。
（１５）
　前記成長基板は、エキシマレーザ照射により剥離する
　前記（１０）ないし（１４）のうちいずれか１つに記載の面発光半導体レーザの製造方法。
（１６）
　更に、前記第１光反射層を間にして前記第１支持基板に対向する第２支持基板を貼り合わせた後、前記第１支持基板を剥離する
　前記（１０）ないし（１５）のうちいずれか１つに記載の面発光半導体レーザの製造方法。
（１７）
　前記成長基板はサファイア基板であり、
　前記第１支持基板および前記第２支持基板はシリコン（Ｓｉ）基板である
　前記（１６）に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
　本出願は、日本国特許庁において２０１７年６月２０日に出願された日本特許出願番号第２０１７－１２００７１号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (17)

  1. 　窒化物半導体を含み、第１半導体層、活性層および第２半導体層がこの順に積層されるとともに、発光領域が設けられた半導体層と、
    　前記半導体層を間にして互いに対向する第１光反射層および第２光反射層とを備え、
    　前記第１半導体層は、前記発光領域の外側に、前記発光領域の平均転位密度よりも高い平均転位密度を有する高転位部を有する
    　面発光半導体レーザ。
  2. 　更に、前記半導体層に電圧を印加するための第１電極および第２電極を有する
    　請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  3. 　前記第２電極は、光透過性の導電材料により構成されている
    　請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
  4. 　更に、支持基板を有し、
    　前記支持基板に近い位置から順に、前記第１光反射層、前記第１半導体層、前記活性層、前記第２半導体層および前記第２光反射層が設けられている
    　請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  5. 　前記支持基板は、シリコン（Ｓｉ）基板である
    　請求項４に記載の面発光半導体レーザ。
  6. 　前記第１半導体層および前記第２半導体層はＧａＮを含み、
    　前記活性層はＩｎＧａＮを含む
    　請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  7. 　前記第２半導体層は、前記発光領域に対向する第１部分と、前記第１部分よりも電気抵抗の高い第２部分とを有する
    　請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  8. 　前記第２部分はホウ素（Ｂ）イオンを含む
    　請求項７に記載の面発光半導体レーザ。
  9. 　前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層各々の厚みの合計は１０μｍ以下である
    　請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  10. 　成長基板に選択的に設けられた種領域に、第１半導体層を形成し、
    　前記種領域から、前記成長基板の面と平行方向に前記第１半導体層を成長させた後、前記第１半導体層に、活性層および第２半導体層をこの順に積層し、
    　前記種領域の外側に発光領域を形成し、
    　前記第２半導体層を間にして前記活性層に対向する第２光反射層を形成し、
    　前記第２光反射層を間にして前記成長基板に第１支持基板を貼り合わせた後、前記成長基板を剥離し、
    　前記活性層を間にして前記第２光反射層に対向する第１光反射層を形成する
    　面発光半導体レーザの製造方法。
  11. 　前記種領域から前記第１半導体層を成長させる際、前記種領域以外の部分では、前記第１半導体層は前記成長基板から離れて成長する
    　請求項１０に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
  12. 　前記種領域の前記第１半導体層は、前記成長基板上に形成された前記第１半導体層をエッチングすることにより形成されている
    　請求項１０に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
  13. 　前記第１半導体層の前記エッチングとともに、前記成長基板をエッチングする
    　請求項１２に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
  14. 　前記種領域では、前記第１半導体層の平均転位密度が前記発光領域の平均転位密度よりも高くなっている
    　請求項１０に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
  15. 　前記成長基板は、エキシマレーザ照射により剥離する
    　請求項１０に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
  16. 　更に、前記第１光反射層を間にして前記第１支持基板に対向する第２支持基板を貼り合わせた後、前記第１支持基板を剥離する
    　請求項１０に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
  17. 　前記成長基板はサファイア基板であり、
    　前記第１支持基板および前記第２支持基板はシリコン（Ｓｉ）基板である
    　請求項１６に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
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