WO2022004146A1 - 垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法及び垂直共振器面発光レーザ素子 - Google Patents

垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法及び垂直共振器面発光レーザ素子 Download PDF

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顕一 寺尾
大介 森田
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日亜化学工業株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a vertical resonator surface emitting laser element and a vertical resonator surface emitting laser element.
  • a vertical resonator surface emitting laser element that extracts laser light from a direction perpendicular to the substrate surface has a reflecting mirror in the vertical direction of the active layer in order to form an optical resonator.
  • the reflector made of a semiconductor multilayer film is obtained by alternately stacking a first semiconductor layer and a second semiconductor layer having a band gap energy larger than the energy corresponding to the oscillation wavelength of the laser beam. It is configured.
  • Patent Document 1 describes a nitride semiconductor multilayer film reflector using AlGaN and GaN or AlInN and GaN as the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
  • a method for manufacturing a vertical resonator surface emitting laser element including a first reflecting mirror including a nitride semiconductor multilayer film It comprises a step of growing a first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor containing aluminum and indium, and a step of growing a second semiconductor layer made of gallium nitride.
  • the step of growing the first semiconductor layer includes a first growth step and a second growth step. In the first growth step, an aluminum source gas, an indium source gas, and a nitrogen source gas are supplied to grow the first layer.
  • an aluminum source gas, an indium source gas, and a nitrogen source gas are supplied to grow a second layer having an indium composition ratio higher than that of the first layer, and the first semiconductor layer is grown.
  • the vertical resonator surface emitting laser element in another aspect of the present disclosure may be used.
  • a first reflecting mirror including a nitride semiconductor multilayer film in which a first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor containing aluminum and indium and a second semiconductor layer made of gallium nitride are alternately laminated is provided.
  • the refractive index of the first semiconductor layer and the refractive index of the second semiconductor layer are different.
  • the first semiconductor layer is composed of a first layer and a second layer.
  • the indium composition ratio of the first layer is lower than the indium composition ratio of the second layer.
  • a method for manufacturing a vertical resonator surface emitting laser element capable of suppressing the occurrence of dislocations in the semiconductor layer constituting the reflector and the occurrence of dislocations in the semiconductor layer constituting the reflector are suppressed. It is possible to provide a vertical resonator surface emitting laser element.
  • the vertical cavity surface emitting laser element formed by the method for manufacturing the vertical cavity surface emitting laser element according to the embodiment of the present disclosure includes, for example, the first reflecting mirror 10 including the nitride semiconductor multilayer film shown in FIG. 1A. Be prepared.
  • the first reflecting mirror 10 is configured by alternately laminating a first semiconductor layer 1 made of a group III nitride semiconductor containing aluminum and indium and a second semiconductor layer 2 made of gallium nitride. In the first reflecting mirror 10, the refractive index of the first semiconductor layer 1 and the refractive index of the second semiconductor layer 2 are different.
  • the first semiconductor layer 1 is composed of the first layer 11 and the second layer 12, and the indium composition ratio of the first layer 11 is lower than the indium composition ratio of the second layer 12.
  • the vertical resonator surface emitting laser element provided with the first reflecting mirror 10 having such a configuration can suppress the occurrence of dislocations in the semiconductor layer constituting the first reflecting mirror 10. As a result, it is possible to suppress light loss such as scattering by the first reflecting mirror 10, and it is possible to provide a vertical resonator surface emitting laser element having higher external quantum efficiency.
  • the step of forming the first reflecting mirror 10 is a first group made of a group III nitride semiconductor containing aluminum and indium.
  • the step of growing the semiconductor layer 1 (S1 in FIG. 3) and the step of growing the second semiconductor layer 2 made of gallium nitride (S2 in FIG. 3) are provided.
  • the step of growing the first semiconductor layer 1 includes a first growth step and a second growth step, and in the first growth step, aluminum source gas, indium source gas and nitrogen source gas are supplied to form the first layer 11.
  • the second growth step aluminum source gas, indium source gas and nitrogen source gas are supplied to grow the second layer 12 having a higher indium composition ratio than the first layer 11. Then, the step of growing the first semiconductor layer 1 and the step of growing the second semiconductor layer 2 are alternately repeated (S1 ⁇ S2 ⁇ S1 ⁇ S2 ... In FIG. 3).
  • a step of growing the first semiconductor layer 1 can be performed, and then a step of growing the second semiconductor layer 2 on the first semiconductor layer 1 can be performed. ..
  • the first semiconductor layer 1 can be first grown on the substrate 16 or the base layer 9 or the like forming the first reflecting mirror 10, and then alternate.
  • the first semiconductor layer 1 can be grown on the second semiconductor layer 2.
  • the first layer 11 can be grown first by the first growth step
  • the second layer 12 can be grown on the first layer 11 by the second growth step.
  • a semiconductor containing aluminum and indium in its composition such as AlInN, tends to have lower crystallinity as the indium composition ratio increases, and dislocations are more likely to occur in the semiconductor layer itself. Therefore, by providing a semiconductor layer containing aluminum and indium in the composition as the first semiconductor layer 1 and also providing a semiconductor layer having a lower indium composition ratio than this, the occurrence of dislocations in the first reflecting mirror 10 is effective. It can be suppressed.
  • the number of alternating repetitions of the step of growing the first semiconductor layer 1 and the step of growing the second semiconductor layer 2 can be arbitrarily set depending on the material used, the desired performance, and the like.
  • the alternating repetition may be performed 5 to 100 times, preferably 20 to 80 times, more preferably 30 to 70 times.
  • the pair of the first semiconductor layer 1 and the second semiconductor layer 2 is preferably 5 pairs to 100 pairs, more preferably 20 pairs to 80 pairs, and 30 pairs to 70 pairs, respectively. Is even more preferable.
  • the reflectance can be further increased while maintaining controllability.
  • the nitride semiconductor multilayer film can be formed to form the first reflecting mirror 10 (S3 in FIG. 3).
  • the nitride semiconductor multilayer film in the first reflector 10 is formed. Dislocations can be effectively suppressed. That is, the occurrence of dislocations from the first semiconductor layer 1 can be effectively suppressed. As a result, it is possible to suppress light loss such as scattering by the first reflecting mirror 10, and it is possible to manufacture a vertical resonator surface emitting laser element having higher external quantum efficiency.
  • the method for manufacturing the vertical resonator surface emitting laser device further includes a step of forming a laminate 3 of a nitride semiconductor having an active layer 3a on the upper surface of the first reflecting mirror 10 (S4 in FIG. 3), and a nitride semiconductor. It is preferable to include a step of forming the second reflecting mirror 6 above the laminated body 3 (S5 in FIG. 3).
  • the active layer 3a is laminated on the reflecting mirror, the crystalline state of the reflecting mirror, for example, dislocations and the like are inherited by the active layer 3a, but as described above, the occurrence of dislocations in the first reflecting mirror 10 occurs. Since it can be suppressed, a semiconductor layer with few dislocations can be laminated on the reflector. As a result, light emission recombination can be generated more efficiently in the active layer 3a, and the threshold current of the vertical resonator surface light emitting laser element can be reduced.
  • the step of growing the first semiconductor layer 1 includes a first growth step and a second growth step. It is preferable that the first growth step and the second growth step are performed in this order.
  • the first semiconductor layer 1 in the lowermost layer of the first reflecting mirror 10, the first semiconductor layer 1 has the first layer 11 grown on the substrate 16 or the base layer 9, and the first layer 11 is formed. It is preferable to grow the second layer 12 on top. Further, in the layer above it, the first layer 11 is grown on the second semiconductor layer 2 grown on the first semiconductor layer 1, and the second layer 12 is grown on the first layer 11. Is preferable.
  • the decrease in crystallinity which is a concern when the indium composition ratio is high, is largely affected by defects generated in the initial stage of semiconductor layer growth.
  • the first semiconductor layer 1 is grown only on the first layer 11 having a high aluminum composition, cracks may occur or elongation may occur.
  • by growing in the above-mentioned order it is possible to effectively suppress the generation of dislocations while suppressing the generation or elongation of cracks.
  • the substrate 16 or the base layer 9 any material known in the art can be used as long as it can form a vertical resonator surface emitting laser element.
  • a substrate for growing a semiconductor layer or a base layer formed on the substrate specifically, a substrate made of a nitride semiconductor (GaN or the like), sapphire, SiC, Si or the like can be mentioned.
  • a nitride semiconductor substrate is preferable, and a GaN substrate is more preferable.
  • the base layer 9 can be selected in consideration of the lattice matching with these substrates 16 and the first reflecting mirror 10. For example, a GaN layer is preferred.
  • the substrate 16 or the base layer 9 examples include those in which the surface on which the first semiconductor layer 1 is grown is a predetermined crystal plane such as a C plane or an A plane. Further, it may have an off angle of about 0 to 10 ° with respect to these predetermined crystal planes.
  • the C plane of GaN may be either the + C plane (group III element polar plane) or the ⁇ C plane (nitrogen polar plane).
  • the substrate 16 or the base layer 9 preferably has a surface on which the first semiconductor layer 1 is grown is a + C surface of GaN. By adopting the + C plane of GaN, it becomes easy to grow crystals.
  • the base layer 9 can be set to an arbitrary thickness, and examples thereof include 100 nm to 3000 nm.
  • the base layer 9 can be doped with n-type impurities, but an undoped one is preferable from the viewpoint of crystallinity.
  • the n-type impurity is silicon
  • the n-type impurity concentration can be 0.5 to 10 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • both the first layer 11 and the second layer 12 are made of a group III nitride semiconductor containing aluminum and indium.
  • a group III nitride semiconductor examples include Al X In Y Ga 1-XY N (0 ⁇ X, 0 ⁇ Y, X + Y ⁇ 1), and specific examples thereof include AlInGaN and AlInN. Of these, the AlInN layer is preferable.
  • the indium composition ratio in the second layer 12 is preferably 0.01 to 0.1 higher than the indium composition ratio in the first layer 11. By setting the indium composition ratio in this range, the occurrence of dislocations can be effectively suppressed.
  • the first semiconductor layer 1 may be a single crystal.
  • the first semiconductor layer 1 can be grown by a method known in the art, for example, MOCVD method (metalorganic vapor phase growth method), HVPE (hydride vapor phase growth method), MBE (molecular beam epitaxial growth method), or the like. .. Of these, the MOCVD method is preferable from the viewpoint of ease of controlling the thickness and growth time. In either method, the first semiconductor layer 1 may be grown under normal pressure, or may be grown under reduced pressure.
  • the substrate 16 on which the base layer 9 is arbitrarily formed is set in the reaction furnace of the MOCVD apparatus. After that, the substrate temperature is raised to, for example, 700 ° C.
  • the carrier gas and the raw material gas are flowed into the reactor.
  • the first semiconductor layer 1 made of a group III nitride semiconductor containing aluminum and indium can be formed.
  • the carrier gas include hydrogen gas, nitrogen gas, argon gas and the like.
  • the raw material gas include trialkyl gallium such as TMG (trimethylgallium) and TEG (triethyl gallium) as the raw material gas for gallium.
  • the raw material gas for nitrogen include ammonia and nitrogen.
  • the aluminum source gas examples include trialkylaluminum such as TMA (trimethylaluminum), aluminum chloride and the like, and examples of the indium source gas include trialkylindium such as TMI (trimethylindium).
  • the thickness of the first semiconductor layer 1 can be arbitrarily set, and examples thereof include 30 nm to 80 nm.
  • the first semiconductor layer 1 can be doped with n-type impurities, but undoped ones are preferable from the viewpoint of crystallinity and reflectance.
  • the n-type impurity is silicon
  • the n-type impurity concentration can be 0.5 to 10 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the first growth step is performed. That is, in the first growth step, the aluminum source gas, the indium source gas, and the nitrogen source gas are supplied to grow the first layer 11.
  • a gallium source gas may be arbitrarily introduced.
  • aluminum source gas and indium source gas may be supplied at a predetermined temperature for growth.
  • the growth temperature of the first layer 11 may be 700 ° C. to 950 ° C.
  • the first layer 11 can be grown with a thickness of 8 nm or less.
  • the thickness of the first layer 11 is preferably 1 nm to 8 nm, more preferably 1 nm to 3 nm. By setting the thickness of the first layer 11 to 8 nm or less, it is possible to suppress the occurrence of cracks while suppressing the occurrence of dislocations.
  • the obtained first layer 11 is, for example, a layer made of AlInN, wherein the indium composition ratio here is 0.10 to 0.20, and 0.12 to 0.19. , And more preferably 0.14 to 0.18. By setting the indium composition ratio to the first layer 11 in this range, it is possible to suppress the occurrence of cracks while suppressing the occurrence of dislocations.
  • the growth rate in the first growth step may fluctuate during the growth of the first layer 11, but it is preferable to grow under certain conditions without intentionally changing the growth conditions.
  • the composition of the first layer 11 may be inclined in the layer, but it is preferable that the composition of the first layer 11 is not inclined. Since the composition is not tilted, the reflectance as a reflecting mirror can be further increased.
  • the first layer 11 may be doped with n-type impurities, but undoped ones are preferable from the viewpoint of crystallinity and reflectance.
  • an aluminum source gas, an indium source gas, and a nitrogen source gas are supplied to grow the second layer 12 having a higher indium composition ratio than the first layer 11.
  • the growth rate of the second layer 12 in the second growth step may be faster than the growth rate of the first layer 11 in the first growth step, or the growth of the second layer 12 in the second growth step may be the second. It may be carried out at a temperature lower than the temperature in one growth step.
  • the growth rate of the second layer 12 in the second growth step is increased, the growth temperature in the second growth step may be different from that in the first growth step, but may be the same.
  • the growth rate in the second growth step may be different from or the same as the growth rate in the first growth step. ..
  • the growth temperature here does not measure the actual temperature of the substrate, but is the set temperature of a heating means or a device such as a heater for maintaining the temperature. Further, a fluctuation of about ⁇ 1% is allowed for the same growth rate and the same growth temperature here.
  • the growth rate of the second layer 12 in the second growth step is preferably 1.5 times or more and 4 times or less the growth rate of the first layer 11 in the first growth step.
  • the growth temperature of the second layer 12 may be 690 ° C to 960 ° C. Further, the growth temperature in the second growth step may be 10 ° C. to 100 ° C. lower than the growth temperature in the first growth step. Specifically, the temperature may be set to 600 ° C to 940 ° C. In this case, the growth rate of the second layer 12 may be the same as that of the first layer 11. Thereby, for example, the second layer 12 can be grown to a predetermined thickness.
  • the thickness of the second layer 12 is preferably thicker than that of the first layer 11, for example, the thickness of the second layer 12 is preferably 30 nm to 80 nm, and the thickness is 40 nm to 60 nm. Is more preferable.
  • the second layer 12 may be doped with n-type impurities, but undoped ones are preferable.
  • the n-type impurity is silicon
  • the n-type impurity concentration can be 0.5 to 10 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the growth rate and / or the growth temperature in the second growth step may fluctuate during the growth, but it is preferable to grow under certain conditions without intentionally changing the growth conditions.
  • the composition of the second layer 12 may be inclined in the layer, but it is preferable that the composition of the second layer 12 is not inclined.
  • the obtained second layer 12 can grow a layer having a higher indium composition ratio than the first layer 11.
  • the obtained second layer 12 is, for example, a layer made of AlInN, preferably having an indium composition ratio of 0.15 to 0.25, and more preferably 0.16 to 0.23. It is preferably 0.17 to 0.21, and more preferably 0.17 to 0.21.
  • the indium composition ratio is preferably 1 to 10% higher than that of the first layer 11, more preferably 1 to 8% higher, and further preferably 1 to 5% higher.
  • Step of growing the second semiconductor layer 2 The step of growing the second semiconductor layer 2 made of gallium nitride (S2 in FIG. 3) may be performed after performing the step of growing the first semiconductor layer 1. That is, the second semiconductor layer 2 may be grown on the first semiconductor layer 1 (on the second layer 12). Further, the step of growing the second semiconductor layer 2 may be performed before the step of growing the first semiconductor layer 1. That is, the second semiconductor layer 2 may be grown on the substrate 16 or the base layer 9.
  • a carrier gas and a raw material gas TMG and ammonia
  • the growth rate of the second semiconductor layer 2 may fluctuate during growth, but is preferably constant.
  • the surface on which the first semiconductor layer 1 is grown is the C surface of GaN and the + C surface.
  • the step of growing the second semiconductor layer 2 may use a method different from the step of growing the first semiconductor layer 1, but it is preferably performed by the same method, for example, the MOCVD method.
  • the substrate temperature is raised to, for example, 1000 ° C. to 1100 ° C., specifically 1050 ° C., and the carrier gas and the raw material gas are flowed into the reactor.
  • the second semiconductor layer 2 made of gallium nitride made of GaN can be grown.
  • Examples of the carrier gas, nitrogen source gas and gallium source gas are the same as those described above.
  • the thickness of the second semiconductor layer 2 here can be arbitrarily set, and examples thereof include 30 nm to 80 nm. Therefore, the total film thickness of the nitride semiconductor multilayer film constituting the first reflecting mirror 10 is, for example, 500 nm to 10000 nm, preferably 2000 nm to 8000 nm, and more preferably 3000 nm to 7000 nm. By setting the film thickness within the above range, it is possible to efficiently increase the reflectance while suppressing the increase in the film thickness.
  • the second semiconductor layer 2 can be doped with n-type impurities, but undoped ones are preferable. For example, when the n-type impurity is silicon, the n-type impurity concentration can be 0.5 to 10 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the second semiconductor layer 2 may be a single crystal.
  • Nitride Semiconductor Laminate 3 As shown in FIG. 1B, for example, it is preferable to form a laminate 3 of nitride semiconductor layers (S4 in FIG. 3) on the upper surface of the first reflecting mirror 10. In the laminate 3 of the nitride semiconductor layer, it is preferable to form the n-side semiconductor layer 3n, the active layer 3a, and the p-side semiconductor layer 3p in this order from the first reflecting mirror 10 side.
  • the laminate 3 of the nitride semiconductor layer can be formed by using a method known in the art.
  • the laminate 3 of the nitride semiconductor layer may form a convex portion 3x on the surface thereof, that is, on the surface opposite to the side on which the first reflecting mirror 10 is arranged.
  • the convex portion 3x can be formed by using a photolithography, an etching process, or the like.
  • the second reflecting mirror 6 is, for example, as shown in FIG. 1B, from the upper surface of the convex portion 3x to the periphery of the convex portion 3x. It can be placed on at least a part of the surface of the (S5 in FIG. 3).
  • an insulating film that exposes a part of the laminate 3 of the nitride semiconductor layer is formed so as to cover the upper part of the exposed laminate 3 of the nitride semiconductor layer.
  • the second reflector 6 can be formed.
  • the second reflecting mirror 6 may have the same configuration as the first reflecting mirror 10 described above, or may have, for example, a configuration including a dielectric multilayer film.
  • the dielectric multilayer film include SiO 2 / Nb 2 O 5 , SiO 2 / Ta 2 O 5 , SiO 2 / Al 2 O 3 and the like.
  • the thickness of each layer is ⁇ / 4n (where ⁇ is the oscillation wavelength of the laser and n is the refractive index of the medium constituting each layer).
  • the number and thickness of the second reflecting mirror 6 can be appropriately set by combining the dielectric multilayer films. Specifically, when the second reflecting mirror 6 is composed of SiO 2 / Nb 2 O 3 or the like, each layer may have a diameter of 40 nm to 100 nm.
  • the number of laminated films may be two or more, and may be, for example, 5 to 20 layers.
  • the total thickness of the second reflecting mirror 6 is, for example, 0.08 ⁇ m to 2.0 ⁇ m, and can be 0.6 ⁇ m to 1.7 ⁇ m.
  • a first semiconductor layer 1 made of a group III nitride semiconductor containing aluminum and indium and a second semiconductor layer 2 made of gallium nitride are alternately laminated.
  • the first reflecting mirror 10 including the nitride semiconductor multilayer film preferably the first reflecting mirror 10, as shown in FIG. 2, a laminate 3 of nitride semiconductors and a second reflecting mirror 6 are provided. It is preferable to prepare.
  • the vertical resonator surface emitting laser element 8 can further include a substrate 16, a base layer 9, a p-side electrode 4, an n-side electrode 5n, and an insulating film 7.
  • such a vertical resonator surface emitting laser element 8 is also bonded to a heat radiating substrate 17 having a bonding layer 13 and a metal film 15 so that the substrate 16 side is a light emitting surface.
  • a higher light output may be obtained than when the second reflecting mirror 6 side is used as the light emitting surface.
  • the first reflecting mirror 10 is preferably formed on the substrate 16 via the base layer 9. By forming the first reflecting mirror 10 via the base layer 9, it becomes easier to form a flatter layer.
  • any substrate known in the art can be used as long as it is a substrate that can form a vertical resonator surface emitting laser element.
  • a substrate for growing a semiconductor layer specifically, a substrate such as a nitride semiconductor (GaN or the like), sapphire, SiC, Si or the like can be mentioned.
  • a nitride semiconductor is preferable, and a GaN substrate is more preferable.
  • the base layer 9 can be selected in consideration of lattice matching with these substrates 16 and the first reflecting mirror 10, and for example, a GaN layer is preferable.
  • the surface of the base layer 9 is preferably the C surface of GaN, and more preferably the + C surface.
  • the nitride semiconductor laminate 3 is preferably arranged on the upper surface of the nitride semiconductor multilayer film constituting the first reflecting mirror 10. Further, the laminate 3 of the nitride semiconductor preferably has an active layer 3a. Specifically, as shown in FIG. 2, the laminate 3 of the nitride semiconductor is, for example, an n-side semiconductor layer 3n made of a GaN-based semiconductor, an active layer 3a made of a GaN-based semiconductor, and a p-side made of a GaN-based semiconductor. It is preferable that the semiconductor layer 3p is laminated in this order from the first reflecting mirror 10 side. Examples of the GaN-based semiconductor include AlGaN, GaN, and InGaN.
  • the n-side semiconductor layer 3n is a single layer or a multilayer, and has one or more n-type layers doped with n-type impurities such as Si.
  • the active layer 3a is, for example, a laminated structure in which a quantum well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN are alternately laminated. The number of layers can be appropriately set according to desired characteristics.
  • the p-side semiconductor layer 3p can have a p-side contact layer.
  • the p-side contact layer is a layer doped with p-type impurities such as Mg.
  • the p-side semiconductor layer 3p may have a layer doped with p-type impurities at a lower concentration than the p-side contact layer or an undoped layer under the p-side contact layer.
  • the p-side contact layer is the uppermost layer of the p-side semiconductor layer 3p.
  • the thicknesses of the n-side semiconductor layer 3n, the active layer 3a, and the p-side semiconductor layer 3p can be appropriately set.
  • the total film thickness from the upper surface of the first reflecting mirror 10 to the lower surface of the second reflecting mirror 6, which will be described later, is set to an integral multiple of ⁇ / 2n, and a standing wave is set between them.
  • the strongest part of the standing wave is arranged in the active layer 3a, and the weakest part of the standing wave is arranged in the translucent p-side electrode 4 described later.
  • the p-side semiconductor layer 3p include those whose upper surface is in contact with the p-side electrode 4.
  • the laminate 3 of the nitride semiconductor layer has a convex portion 3x on the upper surface of the p-side semiconductor layer 3p.
  • the upper surface of the convex portion 3x functions as a current injection region.
  • the light emitting part is directly below the current injection region.
  • Examples of the plan view shape of the convex portion 3x include a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, and the like, and a circular shape is preferable.
  • the size of the upper surface of the convex portion 3x may be, for example, a diameter or a side length of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the n-side semiconductor layer 3n In the laminate 3 of the nitride semiconductor layer, on the surface around the convex portion 3x, that is, on the side of the p-side semiconductor layer 3p, a part of the p-side semiconductor layer 3p, the active layer 3a, and the n-side semiconductor layer 3n is in the thickness direction. It is preferable that the n-side semiconductor layer 3n is partially exposed after being removed. Thereby, the p-side electrode 4 and the n-side electrode 5n that supply the current to the laser element can be arranged on the same surface side of the laminated body 3.
  • the p-side electrode 4 is an electrode for injecting a current from the convex portion 3x of the p-side semiconductor layer 3p, and is an electrode in contact with at least the upper surface of the convex portion 3x.
  • the p-side electrode 4 may extend to the side surface of the convex portion 3x, or may extend to the upper surface of the p-side semiconductor layer 3p around the convex portion 3x.
  • the p-side electrode 4 is a conductive member formed of a material that is translucent with respect to the wavelength range in which the laser oscillates. Examples of the translucent material include a transparent conductive material whose base material is ITO (indium-tin oxide), IZO (indium-zinc oxide), or the like.
  • the thickness of the p-side electrode 4 is, for example, 5 nm to 100 nm.
  • the insulating film 7 is arranged so as to be separated from the upper surface of the convex portion 3x.
  • the insulating film 7 covers at least a part of the peripheral surface of the convex portion 3x of the p-side semiconductor layer 3p.
  • the insulating film 7 may cover not only the p-side semiconductor layer 3p but also the side surface of the active layer 3a and a part of the upper surface of the exposed n-side semiconductor layer 3n, and further cover the side surface of the laminate 3. You may.
  • the insulating film 7 can be formed of a material containing SiO 2 , an inorganic material such as Ta 2 O 5 , ZrO 2 , AlN, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3, or the like.
  • n-side electrode 5n electrically connected to the exposed n-side semiconductor layer 3n is further arranged.
  • a p-pad electrode 5p electrically connected to the p-side electrode 4 may be arranged.
  • the n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p may be formed of any of the conductive materials usually used as electrodes in the art. For example, Ti / Pt / Au, Ti / Rh / Au and the like can be mentioned.
  • the n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p may be formed of the same or different materials in a single-layer structure, may be formed of the same material in the same laminated structure, or may be formed of different laminated materials. It may be formed of a structure. When the n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p are formed of the same material in the same laminated structure, the n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p can be formed in the same step.
  • the vertical resonator surface emitting laser element 8 may be bonded to the heat radiating substrate 17.
  • the heat radiating substrate 17 include ceramics such as AlN, semiconductor substrates including semiconductors such as SiC, single metal substrates, and metal substrates composed of composites of two or more kinds of metals.
  • a substrate using insulating AlN ceramics as a base material and having a plurality of metal films 15 formed on the surface thereof can be used as the heat dissipation substrate 17.
  • the metal film 15 is electrically connected to the p-pad electrode 5p and the n-side electrode 5n, respectively.
  • the thickness of the heat radiating substrate 17 is, for example, about 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the heat radiating substrate 17 As a method for forming the heat radiating substrate 17, a method usually used in the art can be used.
  • the bonding layer 13 for example, in addition to the same materials as the above-mentioned p-pad electrode 5p and n-side electrode 5n, solder or the like can be used.
  • the metal film 15 can be formed of the same material as the p-pad electrode 5p and the n-side electrode 5n described above.
  • the vertical resonator surface emitting laser element 8 emits laser light from the first reflecting mirror 10 side, but the surface on the side opposite to the laminated body 3 of the first reflecting mirror 10, that is, the laminated body 3 of the substrate 16.
  • the antireflection film 14 may be arranged on the opposite surface.
  • the antireflection film 14 the same material as the dielectric multilayer film exemplified in the second reflecting mirror 6 described above can be used.
  • the thickness may be, for example, 0.1 ⁇ m to 1 ⁇ m.
  • a GaN substrate is used as the substrate 16, an organic metal vapor phase growth method (MOCVD method) is used on the + C surface of the GaN substrate, TMG as a raw material gas, ammonia and a carrier gas are used, and the growth temperature is 1150 ° C. , A GaN layer was formed as the base layer 9. Further, TMA, TMI, ammonia and a carrier gas as raw material gases were used, and the first semiconductor layer 1 was grown on the substrate at the temperature shown in Table 1 under reduced pressure. The first semiconductor layer 1 was formed of a first layer 11 and a second layer 12 grown at a faster growth rate than the first layer 11.
  • MOCVD method organic metal vapor phase growth method
  • the first semiconductor layer 1 and the second semiconductor layer 2 form a first reflecting mirror 10 having 50 pairs and a total thickness of 4890 nm.
  • the first layer 11 of the first semiconductor layer 1 is grown under the condition that the composition is Al 0.83 In 0.17 N
  • the second layer 12 is grown under the condition that the composition is Al 0.80 In 0.20 N.
  • the second semiconductor layer 2 was grown under the condition that the composition was GaN.
  • the first semiconductor layer 1 (second layer 12) and the second semiconductor layer 2 are laminated under substantially the same conditions except that the first layer 11 is not provided on the first reflecting mirror 10 obtained by the above method.
  • a reflector as a comparative example was formed. Images of the surfaces of the reflectors of these experimental examples and comparative examples observed as AFM (atomic force microscope) images are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. From FIGS. 4 and 5, in the region observed this time, some V pits were observed on the surface of the reflector of the comparative example, whereas no V pits were observed on the surface of the reflector in the experimental example. .. It is presumed that this V-pit is generated from a defect such as a dislocation. From this, it can be said that the effect of suppressing dislocations was confirmed in this experimental example. Therefore, it was confirmed that the generation of dislocations in the first reflecting mirror was suppressed by the method for manufacturing the vertical resonator surface emitting laser element of this experimental example.

Abstract

半導体多層膜からなる反射鏡において、それを構成する半導体層において転位の発生を抑制することができる垂直共振器面発光レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。Ａｌ及びＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層１を成長させる工程と、窒化ガリウムからなる第２半導体層２を成長させる工程とを備え、第１半導体層１を成長させる工程は、第１成長工程と第２成長工程とからなり、第１成長工程では、Ａｌ源ガス、Ｉｎ源ガス及び窒素源ガスを供給して第１層１１を成長させ、第２成長工程では、Ａｌ源ガス、Ｉｎ源ガス及び窒素源ガスを供給して第１層１１よりＩｎ組成比が高い第２層１２を成長させ、第１半導体層１と第２半導体層２とを成長させる工程とを交互に繰り返し行い窒化物半導体多層膜を含む第１反射鏡１０を形成する垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。

Description

垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法及び垂直共振器面発光レーザ素子
　本開示は、垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法及び垂直共振器面発光レーザ素子に関する。
　基板面に対して垂直な方向からレーザ光を取り出す垂直共振器面発光レーザ素子は、光共振器を構成するため、活性層の上下方向に反射鏡を有している。このような反射鏡のうち半導体多層膜からなる反射鏡は、レーザ光の発振波長に対応するエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第１半導体層と第２半導体層とを交互に積層することによって構成されている。
　特許文献１には、第１半導体層と第２半導体層として、ＡｌＧａＮとＧａＮ又はＡｌＩｎＮとＧａＮとを用いた窒化物半導体多層膜反射鏡が記載されている。
ＷＯ２０１４／１６７９６５
　しかし、特に第１半導体層のＡｌＩｎＮは、その組成に起因して、転位が発生することがある。
　従って、半導体多層膜からなる反射鏡において、それを構成する半導体層において転位の発生を抑制することができる垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法が求められている。
　本開示の一の態様における垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法は、
　窒化物半導体多層膜を含む第１反射鏡を備える垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法であって、
　アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層を成長させる工程と、窒化ガリウムからなる第２半導体層を成長させる工程とを備え、
　前記第１半導体層を成長させる工程は、第１成長工程と第２成長工程とからなり、
　前記第１成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して第１層を成長させ、
　前記第２成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して前記第１層よりインジウム組成比が高い第２層を成長させ、前記第１半導体層を成長させる工程と、前記第２半導体層を成長させる工程とを交互に繰り返し行うことによって前記窒化物半導体多層膜を形成して、前記第１反射鏡を形成することを含む。
　また、本開示の他の態様における垂直共振器面発光レーザ素子は、
　アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層と、窒化ガリウムからなる第２半導体層とが交互に積層された窒化物半導体多層膜を含む第１反射鏡を備え、
　前記第１半導体層の屈折率と前記第２半導体層の屈折率とは異なり、
　前記第１半導体層は第１層及び第２層からなり、
　前記第１層のインジウム組成比が前記第２層のインジウム組成比よりも低い。
　半導体多層膜からなる反射鏡において、それを構成する半導体層において転位の発生を抑制することができる垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法及び反射鏡を構成する半導体層において転位の発生が抑制された垂直共振器面発光レーザ素子を提供することができる。
本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子における第１反射鏡の構造を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子の積層構造を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法を示すフローチャートである。 実験例のＡＦＭ像である。 比較例のＡＦＭ像である。
　以下、本開示の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定されない。また、一の実施の形態、実験例において説明する内容は、他の実施の形態、実験例にも適用可能である。各図面が示す部材の大きさ、厚み、位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。同じ材料、同じ機能を有する部材には、同じ符号を用いることがある。数値範囲を示す場合、「～」の両側の値は含まれるものとする。
　〔垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法〕
　本開示の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法によって形成される垂直共振器面発光レーザ素子は、例えば、図１Ａに示す、窒化物半導体多層膜を含む第１反射鏡１０を備える。第１反射鏡１０は、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層１と、窒化ガリウムからなる第２半導体層２とが交互に積層されて構成されている。第１反射鏡１０では、第１半導体層１の屈折率と第２半導体層２の屈折率とは異なる。また、第１半導体層１は、第１層１１及び第２層１２からなり、第１層１１のインジウム組成比は、第２層１２のインジウム組成比よりも低い。
　このような構成の第１反射鏡１０を備える垂直共振器面発光レーザ素子は、第１反射鏡１０を構成する半導体層において転位の発生を抑制することができる。その結果、第１反射鏡１０による散乱等の光のロスを抑制することができ、より外部量子効率の高い垂直共振器面発光レーザ素子を提供することができる。
　本開示の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法では、第１反射鏡１０を形成する工程（図３のＳ３）は、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層１を成長させる工程（図３のＳ１）と、窒化ガリウムからなる第２半導体層２を成長させる工程（図３のＳ２）とを備える。第１半導体層１を成長させる工程は、第１成長工程と第２成長工程とからなり、第１成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して第１層１１を成長させ、第２成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して前記第１層１１よりインジウム組成比が高い第２層１２を成長させる。そして、これら第１半導体層１を成長させる工程と、第２半導体層２を成長させる工程とを交互に繰り返し行う（図３のＳ１→Ｓ２→Ｓ１→Ｓ２・・・）。
　この第１反射鏡１０を形成する工程では、例えば、第１半導体層１を成長させる工程を行い、その後、第１半導体層１上に、第２半導体層２を成長させる工程を行うことができる。第１半導体層１を成長させる工程においては、最初に、第１反射鏡１０を形成する基板１６又は下地層９等の上に、第１半導体層１を成長させることができ、その後の交互の繰り返し工程では、第２半導体層２上に第１半導体層１を成長させることができる。第１半導体層１は、第１成長工程によって、まず、第１層１１を成長させ、第１層１１上に、第２成長工程によって第２層１２を成長させることができる。
　ＡｌＩｎＮのようにアルミニウムとインジウムとを組成に含む半導体は、インジウム組成比が高くなるほど、結晶性が低下しやすい傾向があり、その半導体層自体に転位が起きやすい。そこで、第１半導体層１として、アルミニウムとインジウムを組成に含む半導体層を設けつつ、これよりもインジウム組成比の低い半導体層も備えることにより、第１反射鏡１０における転位の発生を効果的に抑制することができる。
　第１半導体層１を成長させる工程と、第２半導体層２を成長させる工程との交互の繰り返しは、用いる材料、目的とする性能等によって、任意にその回数を設定することができる。例えば、交互の繰り返しは、５回～１００回行うことが挙げられ、２０回～８０回が好ましく、３０回～７０回がより好ましい。言い換えると、第１半導体層１と第２半導体層２とのペアを、それぞれ５ペア～１００ペアとすることが好ましく、２０ペア～８０ペアとすることがより好ましく、３０ペア～７０ペアとすることがさらに好ましい。上記範囲内のペア数とすることで、制御性を保ちながら、より反射率を高くすることができる。これにより、窒化物半導体多層膜を形成して、第１反射鏡１０を形成することができる（図３のＳ３）。特に、第１半導体層１として、第１層１１と、この第１層１１よりインジウム組成比が高い第２層１２とを成長させることにより、第１反射鏡１０における窒化物半導体多層膜での転位を効果的に抑制することができる。つまり、第１半導体層１からの転位の発生を効果的に抑制することができる。その結果、第１反射鏡１０による散乱等の光のロスを抑制することができ、より外部量子効率の高い垂直共振器面発光レーザ素子を製造することが可能となる。
　この垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法は、さらに、第１反射鏡１０の上面に、活性層３ａを有する窒化物半導体の積層体３を形成する工程（図３のＳ４）、窒化物半導体の積層体３の上方に第２反射鏡６を形成する工程（図３のＳ５）を含むことが好ましい。反射鏡の上方に活性層３ａを積層する場合、反射鏡の結晶状態、例えば、転位等が活性層３ａに引き継がれることになるが、上述したように、第１反射鏡１０における転位の発生を抑制することができるために、反射鏡の上方に転位の少ない半導体層を積層することができる。その結果、活性層３ａでより効率的に発光再結合を生じさせることができ、垂直共振器面発光レーザ素子の閾値電流を低減することが可能となる。
　（第１半導体層１を成長させる工程）
　第１半導体層１を成長させる工程（図３のＳ１）は、第１成長工程と第２成長工程とからなる。第１成長工程と第２成長工程とは、この順に行うことが好ましい。言い換えると、図１Ａ又は１Ｂに示すように、第１半導体層１は、第１反射鏡１０における最下層では、基板１６又は下地層９の上に第１層１１を成長させ、第１層１１上に第２層１２を成長させることが好ましい。また、それよりも上の層では、第１半導体層１の上に成長された第２半導体層２上に第１層１１を成長させ、第１層１１上に第２層１２を成長させることが好ましい。インジウム組成比が高い場合に懸念される結晶性の低下は、半導体層成長の初期段階に発生する欠陥の影響が大きいと考えられる。また、第１半導体層１を高アルミニウム組成の第１層１１のみで成長させると、クラックの発生又は伸展のおそれがある。これに対して、上述の順に成長させることで、クラックの発生又は伸展を抑制しつつ、転位の発生を効果的に抑制することができる。
　ここで、基板１６又は下地層９としては、垂直共振器面発光レーザ素子を構成し得るものであればよく、当該分野で公知のものを利用することができる。例えば、半導体層成長用の基板又はその上に形成された下地層、具体的には、窒化物半導体（ＧａＮ等）、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなる基板が挙げられる。なかでも、窒化物半導体基板が好ましく、ＧａＮ基板がより好ましい。半導体成長用基板としてＧａＮ基板を用いることで、より転位の少ない半導体反射鏡とすることができる。また、下地層９は、これらの基板１６及び第１反射鏡１０との格子整合を考慮して選択することができる。例えば、ＧａＮ層が好ましい。基板１６又は下地層９は、第１半導体層１を成長させる面がＣ面、Ａ面等の所定の結晶面であるものが挙げられる。また、これらの所定の結晶面に対して０～１０°程度のオフ角を有するものであってもよい。例えば、ＧａＮのＣ面では、＋Ｃ面（ＩＩＩ族元素極性面）及び－Ｃ面（窒素極性面）のいずれであってもよい。なかでも、基板１６又は下地層９は、第１半導体層１を成長させる面がＧａＮの＋Ｃ面であるものが好ましい。ＧａＮの＋Ｃ面を採用することで結晶成長をさせやすくなる。下地層９は、任意の厚みに設定することができ、例えば、１００ｎｍ～３０００ｎｍが挙げられる。また、下地層９には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、結晶性の点からはアンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がシリコンである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。
　第１半導体層１は、第１層１１及び第２層１２のいずれも、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる。このような半導体としては、ＡｌＸＩｎＹＧａ１－Ｘ－ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が挙げられ、具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等が挙げられる。なかでも、ＡｌＩｎＮ層が好ましい。特に、第２層１２におけるインジウム組成比は、第１層１１におけるインジウム組成比よりも０．０１～０．１高いものが好ましい。この範囲のインジウム組成比とすることで、転位の発生を効果的に抑制することができる。第１半導体層１は、単結晶であってよい。
　第１半導体層１は、当該分野で公知の方法、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）等によって成長させることができる。なかでも、厚みの制御のしやすさや成長時間の点からＭＯＣＶＤ法が好ましい。いずれの方法を利用する場合においても、第１半導体層１は常圧で成長させてもよいが、減圧して成長させてもよい。
　例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に任意に下地層９が形成された基板１６をセットする。その後、基板温度を、例えば、７００℃～９５０℃、具体的には９００℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガスとを反応炉内に流す。これにより、例えば、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層１を形成することができる。キャリアガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。原料ガスとしては、例えば、ガリウムの原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）や、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）等のトリアルキルガリウム等が挙げられる。窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。アルミニウム源ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）等のトリアルキルアルミニウム、塩化アルミニウム等が挙げられ、インジウム源ガスとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）等のトリアルキルインジウム等が挙げられる。
　第１半導体層１の厚みは、任意に設定することができ、例えば、３０ｎｍ～８０ｎｍが挙げられる。また、第１半導体層１には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、結晶性や反射率の点からはアンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がシリコンである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。
　（第１成長工程：第１層１１）
　上述したように、第１層１１を成長させるために、第１成長工程を行う。つまり、第１成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して第１層１１を成長させる。なお、ＡｌＩｎＧａＮを成長させる際には、任意に、ガリウム源ガスを導入してもよい。
　例えば、第１成長工程は、アルミニウム源ガス及びインジウム源ガスを、所定の温度で供給して成長させることが挙げられる。この場合の第１層１１の成長温度は、７００℃～９５０℃とすることが挙げられる。
　これにより、例えば、第１層１１を８ｎｍ以下の厚みで成長させることができる。第１層１１の厚みは、１ｎｍ～８ｎｍとすることが好ましく、１ｎｍ～３ｎｍの厚みとすることがより好ましい。第１層１１を８ｎｍ以下の厚みとすることで、転位の発生を抑制しつつ、クラックの発生を抑制することができる。
　得られる第１層１１は、例えば、ＡｌＩｎＮからなる層であって、ここでのインジウム組成比は、０．１０～０．２０であるものが挙げられ、０．１２～０．１９であるものが好ましく、０．１４～０．１８であるものがより好ましい。インジウム組成比がこの範囲の第１層１１とすることで、転位の発生を抑制しつつ、クラックの発生を抑制することができる。
　なお、第１成長工程における成長速度は、第１層１１の成長中、変動してもよいが、意図的な成長条件の変更は行なわず一定の条件で成長させることが好ましい。言い換えると、第１層１１は、層内で組成傾斜していてもよいが、組成傾斜していないことが好ましい。組成傾斜をしていないことにより、反射鏡としての反射率をより高くすることができる。また、第１層１１には、ｎ型不純物をドーピングしてもよいが、結晶性及び反射率の点からはアンドープのものが好ましい。
　（第２成長工程：第２層１２）
　第２成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して第１層１１よりインジウム組成比が高い第２層１２を成長させる。
　例えば、第２成長工程における第２層１２の成長速度を、第１成長工程における第１層１１の成長速度より速くしてもよいし、第２成長工程における第２層１２の成長を、第１成長工程における温度よりも低い温度で行ってもよい。第２成長工程における第２層１２の成長速度を速くする場合、第２成長工程における成長温度は、第１成長工程と異なっていてもよいが、同じであってもよい。また、第２成長工程における成長温度を第１成長工程より低い温度とする場合、第２成長工程における成長速度は、第１成長工程における成長速度と異なっていてもよく、同じであってもよい。ここでの成長温度とは、実際の基板の温度を測定しているものではなく、加熱手段もしくは温度を維持するためのヒーター等の装置の設定温度のことである。また、ここでの同じ成長速度及び同じ成長温度とは、±１％程度の変動は許容される。
　特に、第２成長工程における第２層１２の成長速度は、第１成長工程における第１層１１の成長速度の１．５倍以上４倍以下とすることが好ましい。第２層１２の成長速度を上記範囲内の速度とすることで、転位の発生を効果的に抑制することができる。この場合の第２層１２の成長温度は、６９０℃～９６０℃とすることが挙げられる。
　また、第２成長工程における成長温度は、第１成長工程における成長温度より１０℃～１００℃低くすることが挙げられる。具体的には、６００℃～９４０℃とすることが挙げられる。この場合、第２層１２の成長速度は第１層１１と同じ範囲の成長速度で成長させることが挙げられる。
　これにより、例えば、第２層１２を所定の厚みで成長させることができる。第２層１２の厚みは、第１層１１の厚みよりも厚い厚みとすることが好ましく、例えば、第２層１２を、３０ｎｍ～８０ｎｍの厚みとすることが好ましく、４０ｎｍ～６０ｎｍの厚みとすることがより好ましい。第２層１２を上記範囲内の厚みとすることで、可視光に対する反射率をより高めることができる。第２層１２には、ｎ型不純物をドーピングしてもよいが、アンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がシリコンである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。
　なお、第２成長工程における成長速度及び／又は成長温度は、成長中、変動してもよいが、意図的な成長条件の変更は行なわず一定の条件で成長させることが好ましい。言い換えると、第２層１２は、層内で組成傾斜していてもよいが、組成傾斜していないことが好ましい。
　得られる第２層１２は、第１層１１よりも、インジウム組成比が高い層を成長させることができる。ここで、第１層１１と第２層１２とのインジウム組成比は、第１層１１のインジウム組成比：第２層１２のインジウム組成比＝０．１０～０．２０：０．１５～０．２５が挙げられ、０．１２～０．１９：０．１６～０．２３が好ましく、０．１４～０．１８：０．１７～０．２１がより好ましい。得られる第２層１２は、例えば、ＡｌＩｎＮからなる層であって、ここでのインジウム組成比が０．１５～０．２５であるものが好ましく、０．１６～０．２３であるものがより好ましく、０．１７～０．２１であるものがさらに好ましい。また、第２層１２は、インジウム組成比が、第１層１１に対して、１～１０％高いものが好ましく、１～８％高いものがより好ましく、１～５％高いものがさらに好ましい。第１層１１と第２層１２とのインジウム組成比を上記範囲とすることで、転位の発生をより効果的に抑制することができる。
　このように、第１半導体層１の第２層１２を第１層１１と比較して、成長速度を速くする及び／又は成長温度を低くすることにより、成長時において、インジウム原子の気相への脱離を促進することができる。その結果、第１層１１のインジウム組成比を第２層１２に比較して減少させることができるために、窒化物半導体多層膜における転位を効果的に抑制することができる。これは、例えば、第１半導体層１全体を低インジウム組成にした場合に起こるクラックの発生及び伸展などを低減しつつ、効果的に転位を抑制することができる。またこの中でも第１半導体層１の第２層１２を第１層１１と比較して、成長速度を速くする場合は、つまり、第１層１１を第２層１２と比較して、成長速度を遅くする場合は、第１層１１におけるインジウムを含めた原子の拡散長を大きくできるために、より平坦な層を成長させやすくなる。
　（第２半導体層２を成長させる工程）
　窒化ガリウムからなる第２半導体層２を成長させる工程（図３のＳ２）は、第１半導体層１を成長させる工程を行った後に行ってもよい。つまり、第１半導体層１上（第２層１２上）に、第２半導体層２を成長させてもよい。また、第２半導体層２を成長させる工程は、第１半導体層１を成長させる工程の前に行ってもよい。つまり、基板１６又は下地層９の上に対して第２半導体層２を成長させてもよい。
　第２半導体層２を成長させる場合、例えば、キャリアガスと、原料ガス（ＴＭＧ及びアンモニア）とを、反応炉内に流すことが挙げられる。なお、第２半導体層２の成長速度は、成長中、変動してもよいが、一定であることが好ましい。特に、第２半導体層２の形成において、第１半導体層１を成長させる表面が、ＧａＮのＣ面であり、かつ＋Ｃ面とすることが好ましい。
　なお、第２半導体層２を成長させる工程は、第１半導体層１を成長させる工程と異なる方法を利用してもよいが、同じ方法、例えば、ＭＯＣＶＤ法で行うことが好ましい。
　基板温度を、例えば、１０００℃～１１００℃、具体的には１０５０℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガスとを反応炉内に流す。これにより、例えば、ＧａＮからなる窒化ガリウムからなる第２半導体層２を成長させることができる。キャリアガス、窒素源ガス及びガリウム源ガスは、上述したものと同様のものが挙げられる。
　ここでの第２半導体層２の厚みは、任意に設定することができ、例えば、３０ｎｍ～８０ｎｍが挙げられる。従って、第１反射鏡１０を構成する窒化物半導体多層膜の総膜厚は、例えば、５００ｎｍ～１００００ｎｍが挙げられ、２０００ｎｍ～８０００ｎｍが好ましく、３０００ｎｍ～７０００ｎｍがより好ましい。上記範囲内の膜厚とすることで、膜厚の増加を抑えつつ、効率よく反射率を高くすることができる。また、第２半導体層２には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、アンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がシリコンである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。第２半導体層２は単結晶であってよい。
　（窒化物半導体の積層体３の形成）
　第１反射鏡１０の上面には、例えば、図１Ｂに示すように、窒化物半導体層の積層体３を形成（図３のＳ４）することが好ましい。
　窒化物半導体層の積層体３では、第１反射鏡１０側から、ｎ側半導体層３ｎ、活性層３ａ、ｐ側半導体層３ｐをこの順に形成することが好ましい。窒化物半導体層の積層体３は、当該分野で公知の方法を利用して形成することができる。
　窒化物半導体層の積層体３は、その表面、つまり、第１反射鏡１０が配置された側とは反対側の表面に、凸部３ｘを形成してもよい。凸部３ｘは、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等を利用して、形成することができる。
　（第２反射鏡の形成）
　第２反射鏡６は、窒化物半導体層の積層体３の表面に凸部３ｘが形成されている場合には、例えば、図１Ｂに示すように、凸部３ｘの上面から凸部３ｘの周囲の表面の少なくとも一部に配置することができる（図３のＳ５）。また、凸部が形成されていない場合には、窒化物半導体層の積層体３の一部を露出する絶縁膜を形成し、その露出した窒化物半導体層の積層体３の上方を覆うように第２反射鏡６を形成することができる。
　第２反射鏡６は、上述した第１反射鏡１０と同様の構成としてもよいし、例えば、誘電体多層膜を含んだ構成としてもよい。誘電体多層膜としては、例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。各層の厚さはλ／４ｎ（ここで、λはレーザの発振波長、ｎは各層を構成する媒質の屈折率である）である。第２反射鏡６の積層数や厚みは、誘電体多層膜の組み合わせにより適宜設定することができる。具体的には、第２反射鏡６を、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ３等によって構成する場合、各層は、４０ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。積層膜の積層数は、２層以上が挙げられ、例えば５層～２０層とすることができる。第２反射鏡６の全体の厚みは、例えば、０．０８μｍ～２．０μｍが挙げられ、０．６μｍ～１．７μｍとすることができる。
　このような製造方法によって、上述したように、第１反射鏡１０を構成する半導体層において転位の発生を抑制し、第１反射鏡１０による散乱等の光のロスを抑制した、より外部量子効率の高い垂直共振器面発光レーザ素子を製造することが可能となる。
　〔垂直共振器面発光レーザ素子８〕
　本開示の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子８は、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層１と、窒化ガリウムからなる第２半導体層２とが交互に積層された窒化物半導体多層膜を含む第１反射鏡１０、好ましくは、第１反射鏡１０に加えて、図２に示すように、窒化物半導体の積層体３と、第２反射鏡６とを備えることが好ましい。
　また、垂直共振器面発光レーザ素子８は、さらに、基板１６、下地層９、ｐ側電極４と、ｎ側電極５ｎと、絶縁膜７を備えることができる。
　このような垂直共振器面発光レーザ素子８は、また、接合層１３及び金属膜１５を有する放熱基板１７に接合され、基板１６側を発光面とするように構成されていることが好ましい。これにより、第２反射鏡６側を発光面とする場合より、より高い光出力を得られる場合がある。
　（基板１６及び下地層９）
　第１反射鏡１０は、上述したように、基板１６の上に、下地層９を介して形成されていることが好ましい。下地層９を介して第１反射鏡１０を形成することで、より平坦な層を形成しやすくなる。基板１６としては、垂直共振器面発光レーザ素子を構成し得る基板であれば、当該分野で公知のものを利用することができる。例えば、半導体層成長用の基板、具体的には、窒化物半導体（ＧａＮ等）、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等の基板が挙げられる。なかでも、窒化物半導体が好ましく、ＧａＮ基板がより好ましい。また、下地層９は、これらの基板１６及び第１反射鏡１０との格子整合を考慮して選択することができ、例えば、ＧａＮ層が好ましい。なお、下地層９の表面は、ＧａＮのＣ面であるものが好ましく、さらに、＋Ｃ面であるものがより好ましい。
　（窒化物半導体の積層体３）
　窒化物半導体の積層体３は、第１反射鏡１０を構成する窒化物半導体多層膜の上面に配置されていることが好ましい。また、窒化物半導体の積層体３は、活性層３ａを有することが好ましい。具体的には、図２に示すように、窒化物半導体の積層体３は、例えば、ＧａＮ系半導体からなるｎ側半導体層３ｎ、ＧａＮ系半導体からなる活性層３ａ、ＧａＮ系半導体からなるｐ側半導体層３ｐが、第１反射鏡１０側からこの順に積層されて構成されていることが好ましい。ＧａＮ系半導体としては、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮが挙げられる。
　ｎ側半導体層３ｎは、単層又は多層であり、ｎ型不純物、例えば、Ｓｉ等をドープしたｎ型層を１層以上有する。活性層３ａは、例えば、ＩｎＧａＮよりなる量子井戸層と、ＧａＮよりなる障壁層とを交互に積層した積層構造である。積層数は所望の特性により適宜設定することができる。ｐ側半導体層３ｐは、ｐ側コンタクト層を有することができる。ｐ側コンタクト層は、ｐ型不純物、例えば、Ｍｇ等がドープされた層である。ｐ側半導体層３ｐはｐ側コンタクト層の下に、ｐ側コンタクト層よりもｐ型不純物を低濃度でドープした層又はアンドープの層を有していてもよい。この場合、ｐ側コンタクト層はｐ側半導体層３ｐの最上層とする。
　ｎ側半導体層３ｎ、活性層３ａ及びｐ側半導体層３ｐの各厚みは、適宜設定することができる。後述する第１反射鏡１０の上面から第２反射鏡６の下面までの全膜厚をλ／２ｎの整数倍とし、その間に定在波が生じるように設定する。そして、定在波の最も強い部分が活性層３ａに、定在波の最も弱い部分が、後述する透光性のｐ側電極４に位置するように配置する。
　ｐ側半導体層３ｐは、その上面がｐ側電極４に接触するものが挙げられる。
　窒化物半導体層の積層体３は、ｐ側半導体層３ｐの上面に凸部３ｘを有する。この凸部３ｘの上面が電流注入領域として機能する。電流注入領域の直下が発光部となる。凸部３ｘの平面視形状は、円形、楕円形、多角形等の形状が挙げられ、なかでも円形であるものが好ましい。凸部３ｘの上面の大きさは、例えば、直径又は一辺の長さが３μｍ～１２μｍであることが挙げられる。
　窒化物半導体層の積層体３は、凸部３ｘの周囲の表面、つまりｐ側半導体層３ｐの側において、ｐ側半導体層３ｐ、活性層３ａ及びｎ側半導体層３ｎの一部が厚み方向に除去されて、ｎ側半導体層３ｎが一部露出していることが好ましい。これにより、レーザ素子に電流を供給するｐ側電極４及びｎ側電極５ｎを積層体３の同一面側に配置することができる。
　（ｐ側電極４）
　ｐ側電極４は、ｐ側半導体層３ｐの凸部３ｘから電流を注入するための電極であり、少なくとも凸部３ｘの上面に接触している電極である。ｐ側電極４は、凸部３ｘの側面まで延長していてもよいし、凸部３ｘの周囲のｐ側半導体層３ｐの上面にまで延長していてもよい。
　ｐ側電極４は、レーザ発振する波長域に対して透光性の材料から形成される導電部材である。透光性の材料としては、ＩＴＯ（インジウム－錫酸化物）、ＩＺＯ（インジウム－亜鉛酸化物）等を母材とする透明導電材料が挙げられる。具体的にはＩＴＯが挙げられる。厚みは薄いほうが、ｐ側電極４による光吸収を低減することができる一方、抵抗が上昇するため、これらのバランスを考慮して適宜調整することができる。ｐ側電極４の厚みは、例えば、５ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。
　（絶縁膜７）
　絶縁膜７は、凸部３ｘの上面と離間して配置される。絶縁膜７は、少なくともｐ側半導体層３ｐの凸部３ｘの周囲の表面の一部を被覆する。絶縁膜７は、ｐ側半導体層３ｐのみならず、活性層３ａの側面と、露出したｎ側半導体層３ｎの上面の一部を被覆してもよいし、さらに積層体３の側面を被覆してもよい。
　絶縁膜７は、ＳｉＯ２を含む材料、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３等の無機材料等によって形成することができる。
　（ｎ側電極５ｎ、ｐパッド電極５ｐ）
　垂直共振器面発光レーザ素子８は、さらに、露出したｎ側半導体層３ｎに電気的に接続されたｎ側電極５ｎが配置されていることが好ましい。
　なお、ｐ側半導体層３ｐの上に形成された透光性のｐ側電極４に加えて、ｐ側電極４に電気的に接続されたｐパッド電極５ｐが配置されていてもよい。
　これらｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐは、当該分野において通常電極として用いられる導電性材料の何れによって形成してもよい。例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｈ／Ａｕ等が挙げられる。
　ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐは、同じ又は異なる材料にて単層構造で形成されていてもよいし、同じ材料によって、同じ積層構造で形成されていてもよいし、異なる材料で異なる積層構造で形成されていてもよい。ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐを同じ材料によって同じ積層構造で形成する場合、ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐを同一工程で形成することができる。
　（放熱基板１７）
　垂直共振器面発光レーザ素子８は、図２に示すように、放熱基板１７に接合されていてもよい。放熱基板１７としては、ＡｌＮ等のセラミックス、ＳｉＣ等の半導体を含む半導体基板、金属単体基板又は２種以上の金属の複合体からなる金属基板等が挙げられる。例えば、絶縁性のＡｌＮセラミックスを母材とし、その表面に複数の金属膜１５が形成された基板を放熱基板１７として用いることができる。金属膜１５は、それぞれ、ｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎと電気的に接続される。放熱基板１７の厚みは、例えば、５０μｍ～５００μｍ程度が挙げられる。
　放熱基板１７の形成方法は、当該分野で通常使用される方法を利用することができる。
　接合層１３は、例えば、上述したｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎ等と同様の材料のほか、半田等を用いることができる。
　金属膜１５は、上述したｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎ等と同様の材料によって形成することができる。
　（反射防止膜１４）
　垂直共振器面発光レーザ素子８は、第１反射鏡１０側からレーザ光が出射されるが、第１反射鏡１０の積層体３とは反対側の面、つまり、基板１６の積層体３とは反対側の面に、反射防止膜１４を配置していてもよい。反射防止膜１４としては、上述した第２反射鏡６で例示した誘電体多層膜と同様の材料を用いることができる。積層数や各層の厚みを光反射膜とは異なるものとすることで反射防止機能を有する膜を形成することができる。例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。その厚みは、例えば、０．１μｍ～１μｍが挙げられる。
　実験例１
　基板１６としてＧａＮ基板を用い、ＧａＮ基板の＋Ｃ面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用して、原料ガスとしてのＴＭＧ及びアンモニアとキャリアガスとを用い、成長温度１１５０℃で、下地層９としてＧａＮ層を形成した。その上に、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＩ及びアンモニアとキャリアガスとを用い、減圧下で表１に示す温度にて基板上に第１半導体層１を成長させた。第１半導体層１は、第１層１１と、第１層１１より成長速度を速くして成長させた第２層１２とで形成された。さらに第１半導体層１の上に、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアを用い、減圧下で下記温度にて第２半導体層２を成長させた。第１半導体層１と第２半導体層２とが５０ペア、厚みの総計４８９０ｎｍの第１反射鏡１０を形成した。
　組成がＡｌ０．８３Ｉｎ０．１７Ｎとなる条件で第１半導体層１の第１層１１を成長させ、組成がＡｌ０．８０Ｉｎ０．２０Ｎとなる条件で第２層１２を成長させ、組成がＧａＮとなる条件で第２半導体層２を成長させた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　上述の方法で得られた第１反射鏡１０に対して、第１層１１を設けない以外、実質的に同じ条件で第１半導体層１（第２層１２）及び第２半導体層２の積層構造を形成することで、比較例としての反射鏡を形成した。これらの実験例及び比較例の反射鏡の表面をそれぞれＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像として観察した画像を図４及び５にそれぞれ示す。
　図４及び図５より、今回観察した領域において、比較例の反射鏡の表面にはいくつかのＶピットが観察されたのに対して、実験例では反射鏡表面にＶピットは見られなかった。このＶピットは転位等の欠陥から発生しているものと推測される。このことから今回の実験例では、転位の抑制効果が確認されたといえる。
　従って、本実験例の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法によって、第１反射鏡における転位の発生が抑制されることが確認された。
１　　　第１半導体層
１１　　第１層
１２　　第２層
２　　　第２半導体層
３　　　積層体
３ａ　　活性層
３ｎ　　ｎ側半導体層
３ｐ　　ｐ側半導体層
３ｘ　　凸部
４　　　ｐ側電極
５ｎ　　ｎ側電極
５ｐ　　ｐパッド電極
６　　　第２反射鏡
７　　　絶縁膜
８　　　垂直共振器面発光レーザ素子
９　　　下地層
１０　　第１反射鏡
１３　　接合層
１４　　反射防止膜
１５　　金属膜
１６　　基板
１７　　放熱基板

Claims (12)

  1. 　窒化物半導体多層膜を含む第１反射鏡を備える垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法であって、
    　アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層を成長させる工程と、窒化ガリウムからなる第２半導体層を成長させる工程とを備え、
    　前記第１半導体層を成長させる工程は、第１成長工程と第２成長工程とからなり、
    　前記第１成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して第１層を成長させ、
    　前記第２成長工程では、アルミニウム源ガス、インジウム源ガス及び窒素源ガスを供給して前記第１層よりインジウム組成比が高い第２層を成長させ、
    　前記第１半導体層を成長させる工程と、前記第２半導体層を成長させる工程とを交互に繰り返し行うことによって前記窒化物半導体多層膜を形成して、前記第１反射鏡を形成することを含む垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
  2. 　前記第２層の成長速度を、前記第１層の成長速度より速くする請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
  3. 　前記第２層の成長速度を、前記第１層の成長速度の１．５倍以上４倍以下とする請求項２に記載の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
  4. 　前記第１成長工程において、前記第１層を８ｎｍ以下の厚みで成長させる請求項１から３のいずれか１つに記載の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
  5. 　前記第２成長工程において、前記第２層を、前記第１成長工程において成長させた前記第１層の厚みよりも厚い厚みで成長させる請求項１から４のいずれか１つに記載の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
  6. 　さらに、
    　前記第１反射鏡の上面に、活性層を有する窒化物半導体の積層体を形成する工程及び
    　前記窒化物半導体の積層体の上方に第２反射鏡を形成する工程を含む請求項１から５のいずれか１つに記載の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
  7. 　アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１半導体層と、窒化ガリウムからなる第２半導体層とが交互に積層された窒化物半導体多層膜を含む第１反射鏡を備え、
    　前記第１半導体層の屈折率と前記第２半導体層の屈折率とは異なり、
    　前記第１半導体層は第１層及び第２層からなり、
    　前記第１層のインジウム組成比が前記第２層のインジウム組成比よりも低い、垂直共振器面発光レーザ素子。
  8. 　前記窒化物半導体多層膜が基板の上方に配置されており、前記第１半導体層において、前記基板側から前記第１層、前記第２層の順に配置されている請求項７に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  9. 　前記第１層の厚みが８ｎｍ以下である請求項７又は８に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  10. 　前記第１層におけるインジウム組成比が、前記第２層におけるインジウム組成比よりも０．０１以上０．１以下低い請求項７から９のいずれか１つに記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  11. 　前記窒化物半導体多層膜の上面に配置され、活性層を有する窒化物半導体の積層体と、
    　前記窒化物半導体の積層体の上方に配置された第２反射鏡とをさらに備える請求項７から１０のいずれか１つに記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  12. 　前記第１半導体層がＡｌＩｎＮからなる層であって、前記第２層のインジウム組成比が０．１５以上０．２５以下である請求項７から１１のいずれか１つに記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005268495A (ja) * 2004-03-18 2005-09-29 National Institute Of Information & Communication Technology 窒化インジウムアルミニウム半導体の結晶成長方法
US20070003697A1 (en) * 2004-07-28 2007-01-04 Jean-Francois Carlin Lattice-matched AllnN/GaN for optoelectronic devices
WO2014061174A1 (ja) * 2012-10-19 2014-04-24 パナソニック株式会社 半導体発光素子
WO2014167965A1 (ja) * 2013-04-08 2014-10-16 学校法人名城大学 窒化物半導体多層膜反射鏡とそれを用いた発光素子
US20180090645A1 (en) * 2016-09-27 2018-03-29 Lumileds Llc Reflective structure for light emitting devices
JP2018098347A (ja) * 2016-12-13 2018-06-21 学校法人 名城大学 半導体多層膜反射鏡、これを用いた垂直共振器型発光素子及びこれらの製造方法。
JP2018163991A (ja) * 2017-03-27 2018-10-18 学校法人 名城大学 半導体多層膜反射鏡及び垂直共振器型発光素子
JP2020092175A (ja) * 2018-12-06 2020-06-11 学校法人 名城大学 窒化物半導体多層膜反射鏡

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005268495A (ja) * 2004-03-18 2005-09-29 National Institute Of Information & Communication Technology 窒化インジウムアルミニウム半導体の結晶成長方法
US20070003697A1 (en) * 2004-07-28 2007-01-04 Jean-Francois Carlin Lattice-matched AllnN/GaN for optoelectronic devices
WO2014061174A1 (ja) * 2012-10-19 2014-04-24 パナソニック株式会社 半導体発光素子
WO2014167965A1 (ja) * 2013-04-08 2014-10-16 学校法人名城大学 窒化物半導体多層膜反射鏡とそれを用いた発光素子
US20180090645A1 (en) * 2016-09-27 2018-03-29 Lumileds Llc Reflective structure for light emitting devices
JP2018098347A (ja) * 2016-12-13 2018-06-21 学校法人 名城大学 半導体多層膜反射鏡、これを用いた垂直共振器型発光素子及びこれらの製造方法。
JP2018163991A (ja) * 2017-03-27 2018-10-18 学校法人 名城大学 半導体多層膜反射鏡及び垂直共振器型発光素子
JP2020092175A (ja) * 2018-12-06 2020-06-11 学校法人 名城大学 窒化物半導体多層膜反射鏡

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CARLIN J.-F, DORSAZ J, FELTIN E, BUTTÉ A͒ R, GRANDJEAN N, ILEGEMS M: "Crack-free fully epitaxial nitride microcavity using highly reflective AlInN∕GaN Bragg mirrors ARTICLES YOU MAY BE INTERESTED IN Crack-free fully epitaxial nitride microcavity using highly reflective AlInN/GaN Bragg mirrors", APPL. PHYS. LETT. APPL. PHYS. LETT, 11 January 2005 (2005-01-11), pages 31107 - 31107, XP055897663, Retrieved from the Internet <URL:https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.1849851> [retrieved on 20220304] *
COSENDEY GATIEN; CASTIGLIA ANTONINO; ROSSBACH GEORG; CARLIN JEAN-FRANÇOIS; GRANDJEAN NICOLAS : "Blue monolithic AlInN-based vertical cavity surface emitting laser diode on free-standing GaN substrate", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 101, no. 15, 8 October 2012 (2012-10-08), 2 Huntington Quadrangle, Melville, NY 11747, pages 151113 - 151113-4, XP012165224, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.4757873 *
KURAMOTO MASARU; KOBAYASHI SEIICHIRO; AKAGI TAKANOBU; TAZAWA KOMEI; TANAKA KAZUFUMI; SAITO TATSUMA; TAKEUCHI TETSUYA: "Enhancement of slope efficiency and output power in GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers with a SiO2-buried lateral index guide", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 112, no. 11, 15 March 2018 (2018-03-15), 2 Huntington Quadrangle, Melville, NY 11747, XP012227046, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.5020229 *

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