WO2023106080A1 - 垂直共振器型発光素子 - Google Patents

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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

Definitions

  • a semiconductor structure layer including a semiconductor layer; a second multilayer reflector formed on the semiconductor structure layer and forming a resonator together with the first multilayer reflector; and the first multilayer reflector.
  • a current confinement structure formed between the reflecting mirror and the second multilayer reflecting mirror for concentrating a current in one region of the active layer;
  • a region along the top surface of the In-containing nitride semiconductor layer, which is the uppermost layer of the nitride semiconductor layer, is characterized by having a higher concentration of hydrogen impurities than other regions.
  • the first multilayer reflector 13 has a slightly lower reflectance than the second multilayer reflector 31 . Therefore, part of the light resonating between the first multilayer reflecting mirror 13 and the second multilayer reflecting mirror 31 is transmitted through the first multilayer reflecting mirror 13 and the substrate 11 and extracted to the outside.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a laser device 100 in which the surface emitting laser 10 is mounted on the support substrate 50. As shown in FIG. The cross-sectional view of FIG. 4 shows a cross-section along the same cross-sectional line as the cross-sectional view shown in FIG.
  • FIG. 5 is a TEM image (50000 ⁇ ) of the area A enclosed by the dashed line in FIG. 4, taken after the laser device 100 was driven.
  • straight line L1 is a straight line along the right end side surface of opening 25H in FIG. Therefore, in FIG. 5, the area to the left of the straight line L1 is the area directly below the opening 25H.
  • the insulating region, the low refractive index region, and the electrical contact surface 21S may be formed by etching the upper surface of the p-type semiconductor layer 21 provided with the insulating layer 25 in the above embodiment. Further, by ion implantation on the upper surface of the p-type semiconductor layer 21 on which the insulating layer 25 is provided, an insulating region, a region with a low refractive index, and an electrical contact surface 21S are formed. A current constriction effect similar to that of forming layer 25 may be produced. When ion implantation is performed, for example, B ions, Al ions, or oxygen ions are implanted into the p-type semiconductor layer 21 .

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Abstract

［課題］　活性層を含む半導体層の劣化を防止することによって高い耐久性を有する垂直共振器型発光素子を提供する。 ［解決手段］　本発明の垂直共振器型発光素子は、窒化ガリウム系半導体基板と、前記基板上に形成され、かつＩｎを組成に含むＩｎ含有窒化物半導体層とＩｎを含まないＩｎ非含有窒化物半導体層とが交互に積層されてなる第１の多層膜反射鏡と、窒化物半導体よりなる活性層を含む半導体構造層と、前記半導体構造層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間に形成され、前記活性層の１の領域に電流を集中させる電流狭窄構造と、を有し、前記第１の多層膜反射鏡の最上層は前記Ｉｎ含有窒化物半導体層であり、当該最上層のＩｎ含有窒化物半導体層の上面に沿った領域は、他の領域よりも水素不純物濃度が高いことを特徴とする。

Description

垂直共振器型発光素子
　本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL:vertical cavity surface emitting laser）などの垂直共振器型発光素子に関する。
　従来から、半導体レーザの１つとして、電圧の印加によって光を放出する半導体層と、当該半導体層を挟んで互いに対向する多層膜反射鏡と、を有する垂直共振器型の半導体面発光レーザ（以下、単に面発光レーザとも称する）が知られている。例えば、特許文献１には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層にそれぞれ接続されたｎ電極及びｐ電極を有する垂直共振器型の半導体レーザが開示されている。
特開2017-98328号公報
　例えば、面発光レーザなどの垂直共振器型発光素子には、対向する多層膜反射鏡によって光共振器が形成されている。例えば、面発光レーザ内においては、電極を介して半導体層に電圧が印加されることで、当該半導体層から放出された光が当該光共振器内で共振し、レーザ光が生成される。
　このような垂直共振器型発光素子では、多層膜反射鏡と当該多層膜反射鏡上に配される活性層を含む半導体層との間や、半導体層に含まれる各層間の格子定数の差に起因する応力が発生する。また、垂直共振器型発光素子内に、当該垂直共振器型発光素子を駆動した際に活性層から発せられる熱による熱応力が発生する。
　このような応力によって、垂直共振器型発光素子においては、活性層や活性層への電流の経路となるその周囲の半導体層に転位等のダメージが発生する等してこれらが劣化し、耐久性が低下してしまうことが問題の１つとしてあげられる。
　本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、活性層を含む半導体層の劣化を防止することによって高い耐久性を有する垂直共振器型発光素子を提供することを目的としている。
　本発明による垂直共振器型発光素子は、窒化ガリウム系半導体基板と、前記基板上に形成され、かつＩｎを組成に含むＩｎ含有窒化物半導体層とＩｎを含まないＩｎ非含有窒化物半導体層とが交互に積層されてなる第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、前記半導体構造層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間に形成され、前記活性層の１の領域に電流を集中させる電流狭窄構造と、を有し、前記第１の多層膜反射鏡の前記Ｉｎ含有窒化物半導体層の最上層のＩｎ含有窒化物半導体層の上面に沿った領域は、他の領域よりも水素不純物濃度が高いことを特徴とする。
実施例１の面発光レーザの斜視図である 実施例１の面発光レーザの断面図である。 第１の多層膜反射鏡の最上層のＡｌＩｎＮ層の上面近傍のＳＩＭＳ測定結果である。 実施例１の面発光レーザを用いたレーザデバイスの断面図である。 第１の多層膜反射鏡の最上層のＡｌＩｎＮ層の上面近傍のＴＥＭ像である。 図５にＴＥＭ像の一部を拡大したものである。 変形例の面発光レーザの断面図である。
　以下、本発明の実施例について詳細に説明する。以下の説明においては、半導体面発光レーザ素子を例に説明するが、本発明は、面発光レーザのみならず、垂直共振器型発光ダイオードなど、種々の垂直共振器型発光素子に適用することができる。
　図１は、実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、単に面発光レーザとも称する）１０の斜視図である。
　基板１１は、窒化ガリウム系半導体基板、例えばＧａＮ基板である。基板１１は、上面にＣ面が露出しているいわゆるＣ面基板である。基板１１は、例えば、上面形状が矩形の基板である。
　第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上に成長させられた半導体層からなる半導体多層膜反射鏡である。第１の多層膜反射鏡１３は、ＡｌＩｎＮの組成を有する半導体膜と、ＡｌＩｎＮ組成を有する半導体膜よりも屈折率が高いＧａＮ組成を有する半導体膜とが交互に積層されることで形成されている。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１３は、半導体材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。）
　半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された複数の半導体層からなる積層構造体である。半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１７と、ｎ型半導体層１７上に形成された発光層（または活性層）１９と、活性層１９上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層）２１と、を有する。
　第１の導電型の半導体層としてのｎ型半導体層１７は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された半導体層である。ｎ型半導体層１７は、ＧａＮ組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされている半導体層である。ｎ型半導体層１７は、（メサ形状になっており、第１の多層膜反射鏡１３の上面と同様の平面形状を有する下部１７Ａとその上に配されたメサ状の上部１７Ｂとを有する。）角柱状の下部１７Ａとその上に配された円柱状の上部１７Ｂとを有する。具体的には、例えば、ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａの上面１７Ｓから突出した円柱状の上部１７Ｂを有している。言い換えれば、ｎ型半導体層１７は、上部１７Ｂを含むメサ形状の構造を有する。
　活性層１９は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂ上に形成されており、ＩｎＧａＮ組成を有する井戸層及びＧａＮ組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する層である。面発光レーザ１０においては、活性層１９において光が発生する。
　第２の導電型の半導体層としてのｐ型半導体層２１は、活性層１９上に形成されたＧａＮ組成を有する半導体層である。ｐ型半導体層２１には、ｐ型の不純物としてＭｇがドーピングされている。
　ｎ電極２３は、ｎ型半導体層１７の下部１７Ａの上面１７Ｓに設けられ、ｎ型半導体層１７と電気的に接続されている金属電極である。ｎ電極２３は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂを囲繞するように環状に形成されている。ｎ電極２３は、ｎ型半導体層１７と電気的に接触し、半導体構造層１５に外部からの電流を供給する第１の電極層を形成している。
　絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上に形成されている絶縁体からなる層である。絶縁層２５は、例えばＳｉＯ２等のｐ型半導体層２１を形成する材料よりも低い屈折率を有する物質によって形成されている。絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上において環状に形成されており、中央部分にｐ型半導体層２１を露出する開口部（図示せず）を有している。
　透明電極２７は、絶縁層２５の上面に形成された透光性を有する金属酸化膜である。透明電極２７は、絶縁層２５の上面全体及び絶縁層２５の中央部分に形成された開口から露出するｐ型半導体層２１の上面の全体を覆っている。透明電極２７を形成する金属酸化膜としては、例えば、活性層１９からの出射光に対して透光性を有するＩＴＯやＩＺＯを用いることができる。
　ｐ電極２９は、透明電極２７上に形成された金属電極である。ｐ電極２９は、絶縁層２５の上記開口部から露出したｐ型半導体層２１の上面と、透明電極２７を介して電気的に接続されている。透明電極２７とｐ電極２９とで、ｐ型半導体層２１に電気的に接触しかつ半導体構造層１５に外部からの電流を供給する第２の電極層が形成されている。本実施例において、ｐ電極２９は、透明電極２７の上面に当該上面の外縁に沿って環状に形成されている。
　第２の多層膜反射鏡３１は、透明電極２７の上面のｐ電極２９に囲まれた領域に形成された円柱上の多層膜反射鏡である。第２の多層膜反射鏡３１は、ＳｉＯ２からなる低屈折率誘電体膜と、Ｎｂ２Ｏ５からなり低屈折率誘電体膜よりも屈折率が高い高屈折率誘電体膜とが交互に積層された誘電体多層膜反射鏡である。言い換えれば、第２の多層膜反射鏡３１は、誘電体材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。
　図２は、図１の２－２線に沿った断面図である。上述のように、面発光レーザ１０は、ＧａＮ基板である基板１１を有し、基板１１上に第１の多層膜反射鏡１３が形成されている。なお、基板１１の下面には、ＡＲコートが施されていてもよい。
　第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上面に、ＧａＮ組成を有するバッファ層（図示せず）を設け、当該バッファ層上に上記したＡｌＩｎＮからなる低屈折率半導体膜１３Ａを成膜し、その後ＧａＮからなる高屈折率半導体膜１３Ｂと低屈折率半導体膜１３Ａとをこの順に交互に成膜させることで形成されている。第１の多層膜反射鏡１３の最上層はＧａＮからなる高屈折率半導体膜１３Ｂとなっている。
　例えば、本実施例において、第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１上面に形成された１μｍのＧａＮ下地層の上に積層された４１ペアのＡｌＩｎＮ層／ＧａＮ層からなる。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１３は、互いに交互に積層された４１層のＡｌＩｎＮ層及び４１層のＧａＮ層からなる積層体であり、その最下層がＡｌＩｎＮ層、最上層がＧａＮ層になっている。
　さらに言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１３は、Ｉｎを組成に含むＩｎ含有窒化物半導体層とＩｎを含まないＩｎ非含有窒化物半導体層とが交互に積層されてなる積層体である。
　第１の多層膜反射鏡１３のＡｌＩｎＮ層である低屈折率半導体膜１３Ａのうち最も上に形成された層は、その上面に沿った領域、言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１３の最上層である高屈折率半導体膜１３ＢのＧａＮ層との界面に沿った領域において不純物である水素の濃度が高い部分が形成されている。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１３のＡｌＩｎＮ層のうち最も上に形成された層の上面に沿った領域は、他の領域、すなわちＡｌＩｎＮ層の厚み方向で中央部分よりも水素不純物濃度が高くなっている。さらにこの水素不純物濃度は直上に形成されたＧａＮ層、すなわち高屈折率半導体膜１３Ｂおよび後述のｎ型半導体層１７よりも高い。
　図３は、第１の多層膜反射鏡１３の低屈折率半導体膜１３Ａの最も上の層のさらに上面、すなわち高屈折率半導体膜１３ＢのＧａＮ層との界面に沿った領域のアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、水素（Ｈ）及びガリウム（Ｇａ）のそれぞれの密度（atoms/cc）を示す二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）による測定結果のグラフである。このグラフでは、横軸が層厚方向の深さ、左の縦軸が水素の密度、右の縦軸がガリウム、アルミニウム及びインジウムの密度となっている。
　図３を参照すると、第１の多層膜反射鏡１３の最も上の層の低屈折率半導体膜１３Ａは、高屈折率半導体膜１３Ｂとの界面に沿った領域（図３中の破線で挟まれた領域)において、水素濃度が１Ｅ１８／ｃｍ３を超える部分が形成されていることがわかる。低屈折率半導体膜１３Ａの界面から離れた領域および直上に形成されたＧａＮ層、すなわち高屈折率半導体膜１３Ｂの界面から離れた領域では１Ｅ１７／ｃｍ３以下となっており１０倍以上の濃度差が生じている。
　本願の発明者達によって、ＡｌＩｎＮ組成を有する低屈折率半導体膜１３Ａに、水素不純物濃度が高い部分が存在すると、低屈折率半導体膜１３Ａに応力が掛かった場合に当該水素不純物濃度が高い部分において基底面転位（Basal Plane dislocation）（以下、単に面転位とも称する）が発生し易くなることが見出された。言い換えれば、本実施例の面発光レーザ１０では、第１の多層膜反射鏡１３の低屈折率半導体膜１３Ａの上面に沿った領域において、応力負荷による基底面転位が発生しやすくなることが見出された。
　上述のように、第１の多層膜反射鏡１３上には、半導体構造層１５が形成されている。半導体構造層１５は、ｎ型半導体層１７、活性層１９及びｐ型半導体層２１がこの順に形成されてなる積層体である。ｐ型半導体層２１の上面の中央部には、上方に突出している突出部２１Ｐが形成されている。
　絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１の上面の突出部２１Ｐ以外の領域を覆うように形成されている。絶縁層２５は、上述のようにｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有している材料からなっている。絶縁層２５は、突出部２１Ｐを露出せしめる開口部２５Ｈを有している。例えば、開口部２５Ｈと突出部２１Ｐとは同様の形状を有しており、開口部２５Ｈの内側面と突出部２１Ｐの外側面は接している。
　透明電極２７は、絶縁層２５及び絶縁層２５の開口部２５Ｈから露出している突出部２１Ｐの上面を覆うように形成されている。すなわち、透明電極２７は、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している領域において、ｐ型半導体層２１と電気的に接触している。言い換えれば、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈを介して露出している領域が、ｐ型半導体層２１と透明電極２７との電気的接触をもたらす電気的接触面２１Ｓとなっている。
　ｐ電極２９は、上述したように金属電極であり、透明電極２７の上面の外縁に沿って形成されている。すなわち、ｐ電極２９は、透明電極２７と電気的に接触している。従って、ｐ電極２９は、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している電気的接触面２１Ｓにおいて、透明電極２７を介してｐ型半導体層２１と電気的に接触または接続している。
　第２の多層膜反射鏡３１は、透明電極２７の上面であって、絶縁層２５の開口部２５Ｈ上の領域、言い換えれば電気的接触面２１Ｓ上の領域すなわち透明電極２７の上面の中央部分に形成されている。第２の多層膜反射鏡３１の下面は、透明電極２７及び半導体構造層１５を挟んで第１の多層膜反射鏡１３の上面と対向している。この第１の多層膜反射鏡１３及び第２の多層膜反射鏡３１の配置により、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１とで、活性層１９から出射した光を共振させる共振器ＯＣが形成される。
　面発光レーザ１０において、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡３１よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１３及び基板１１を透過し、外部に取り出される。
　ここで、面発光レーザ１０の動作について説明する。面発光レーザ１０において、ｎ電極２３及びｐ電極２９との間に電圧が印加されると、図２中太線一点鎖線に示す様に、半導体構造層１５内に電流が流れ、活性層１９から光が放出される。活性層１９から放出された光は、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間において反射を繰り返し、共振状態に至る（すなわちレーザ発振する）。
　面発光レーザ１０においては、ｐ型半導体層２１には、開口部２５Ｈによって露出している部分、すなわち電気的接触面２１Ｓのみから電流が注入される。また、ｐ型半導体層２１は非常に薄いため、ｐ型半導体層２１内では面内方向、すなわち半導体構造層１５の面内に沿った方向には電流は拡散しない。
　従って、面発光レーザ１０においては、活性層１９のうち、開口部２５Ｈによって画定される電気的接触面２１Ｓの直下の領域にのみ電流が供給されて、当該領域からのみ光が放出される。すなわち、面発光レーザ１０において、開口部２５Ｈが活性層１９における電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。
　言い換えれば、面発光レーザ１０においては、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間に、活性層１９のうち、電気的接触面２１Ｓを底面とする柱状の領域である中央領域ＣＡのみに電流が流れるように電流を狭窄する、すなわち、活性層の１の領域に電流を集中させる電流狭窄構造が形成されている。活性層１９内の電流が流れる領域を含む中央領域ＣＡは、電気的接触面２１Ｓによって画定される。
　上述のように、本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡３１よりも低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間で共振した光の一部は、第１の多層膜反射鏡１３及び基板１１を透過し、外部に取り出される。このようにして、面発光レーザ１０は、基板１１の下面から、基板１１の下面及び半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な方向に光を出射する。言い換えれば、基板１１の下面が、面発光レーザ１０の光出射面となっている。
　なお、半導体構造層１５のｐ型半導体層２１の電気的接触面２１Ｓ及び絶縁層２５の開口部２５Ｈは、活性層１９における発光領域の中心である発光中心を画定し、共振器ＯＣの中心軸（発光中心軸）ＡＸを画定する。共振器ＯＣの中心軸ＡＸは、ｐ型半導体層２１の電気的接触面２１Ｓの中心を通り、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向に沿って延びる。
　活性層１９の発光領域とは、例えば、活性層１９内における所定の強度以上の光が放出される所定の幅を有する領域であり、その中心が発光中心である。また、例えば、活性層１９の発光領域とは、活性層１９内において所定の密度以上の電流が注入される領域であり、その中心が発光中心である。また、当該発光中心を通る基板１１の上面または半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な直線が中心軸ＡＸである。
　発光中心軸ＡＸは、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１とによって構成される共振器ＯＣの共振器長方向に沿って延びる直線である。また、中心軸ＡＸは、面発光レーザ１０から出射されるレーザ光の光軸に対応する。
　ここで、面発光レーザ１０における第１の多層膜反射鏡１３、半導体構造層１５及び第２の多層膜反射鏡３１各層の例示的な構成について説明する。本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上面に形成された１μｍのＧａＮ下地層、及び４１ペアのＡｌＩｎＮ層（５０ｎｍ）及びＧａＮ層（４５ｎｍ）からなる。
　ｎ型半導体層１７は、５５８ｎｍの層厚のＧａＮ層である。活性層１９は、４ｎｍのＧａＩｎＮ層及び５ｎｍのＧａＮ層が５ペア積層された多重量子井戸構造の活性層からなる。活性層１９上には、ＭｇドープされたＡｌＧａＮの電子障壁層が形成され、その上に５０ｎｍのｐ－ＧａＮ層からなるｐ型半導体層２１が形成されている。第２の多層膜反射鏡３１は、Ｎｂ２Ｏ５及びＳｉＯ２を１０．５ペア積層したものである。この場合の共振波長は、４４０ｎｍであった。
　絶縁層２５は、２０ｎｍのＳｉＯ２からなる層である。言い換えれば、ｐ型半導体層２１の上面の突出部２１Ｐは、周囲から２０ｎｍ突出している。すなわち、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐにおいて５０ｎｍの層厚を有し、それ以外の領域において３０ｎｍの層厚を有する。また、絶縁層２５の上面は、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの上面と同一の高さ位置に配置されるように構成されている。なお、これらの構成は一例に過ぎない。
　以下、面発光レーザ１０内部の光学的な特性について説明する。上述のように、面発光レーザ１０において、絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有する。また、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間において、活性層１９及びｎ型半導体層１７の層厚は、面内のいずれの箇所においても同じ層内であれば同一である。
　従って、面発光レーザ１０の第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間で形成される共振器ＯＣ内における等価的な屈折率（第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間の光学的距離であり、共振波長に対応する）は、ｐ型半導体層２１と絶縁層２５との屈折率の差によって、電気的接触面２１Ｓを底面とする円柱状の中央領域ＣＡとその周りの筒状の周辺領域ＰＡとで異なる。
　具体的には、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡３１との間において、周辺領域ＰＡの等価屈折率は中央領域ＣＡの等価屈折率よりも低い、すなわち、中央領域ＣＡにおける等価的な共振波長は、周辺領域ＰＡ等価的な共振波長よりも小さい。なお、活性層１９において光が放出されるのは、開口部２５Ｈ及び電気的接触面２１Ｓの直下の領域である。すなわち、活性層１９において光が放出される発光領域は、活性層１９のうち中央領域ＣＡと重なる部分、言い換えれば上面視において電気的接触面２１Ｓと重なる領域である。
　このように、面発光レーザ１０においては、活性層１９の発光領域を含む中央領域ＣＡと、中央領域ＣＡを囲繞しかつ中央領域ＣＡよりも屈折率が低い周辺領域ＰＡとが形成されている。これによって、中央領域ＣＡ内の定在波が周辺領域ＰＡに発散（放射）することによる光損失が抑制される。すなわち、中央領域ＣＡに多くの光が留まり、またその状態でレーザ光が外部に取り出される。従って、多くの光が共振器ＯＣの発光中心軸ＡＸの周辺の中央領域ＣＡに集中し、高出力かつ高密度なレーザ光を生成及び出射することができる。
［面発光レーザ１０素子を実装したレーザデバイス１００の構造］
　図４に、面発光レーザ１０を支持基板５０に実装したレーザデバイス１００の断面図を示す。図４の断面図は、図２に示した断面図で示した断面と同じ断面線による断面を示している。
　レーザデバイス１００において、面発光レーザ１０は、支持基板５０にＡｕＳｎの共晶によって形成されている接合部５１及び５３によって接合されている。接合部５１は、ｐ電極２９及び第２の多層膜反射鏡３１と支持基板５０とを接合している。接合部５１は、ｐ電極２９の上面及び第２の多層膜反射鏡３１の上面を覆うように形成されている。支持基板５０の表面の接合部５１が覆っている部分には、ｐ電極に電流を供給する配線（図示せず）が形成されている。
　接合部５３は、ｎ電極２３と支持基板５０とを接合している。接合部５３は、接合部５１と絶縁されるように接合部５１から離隔している。支持基板５０の表面の接合部５１が覆っている部分には、ｎ電極に電流を供給する配線（図示せず）が形成されている。
　レーザデバイス１００の駆動時に、面発光レーザ１０に電流が供給されると、半導体構造層１５のうち、活性層１９に電流が流れ込む開口部２５Ｈの直下の領域において、熱が発生しそれに伴って熱歪みが発生する。この熱歪みによる応力が半導体構造層１５と第１の多層膜反射鏡１３との界面に加わると、第１の多層膜反射鏡１３の低屈折率半導体膜１３Ａの最も上の層の上面に沿った領域に面転位が発生する。
　図５は、図４の一点鎖線で囲んだ領域ＡのＴＥＭ像（５００００倍）であり、レーザデバイス１００を駆動した後に撮像されたものである。図５において、直線Ｌ１は図４の開口部２５Ｈの右端側面に沿った直線である。従って、図５において、直線Ｌ１より左の領域が開口部２５Ｈの直下の領域となっている。
　また、図６は、図５中の第１の多層膜反射鏡１３と半導体構造層１５との界面に沿った領域の一部をさらに拡大したＴＥＭ像（１５００００倍）である。
　図５及び図６に示すように、レーザデバイス１００の駆動後において、第１の多層膜反射鏡１３の低屈折率半導体膜１３Ａと高屈折率半導体膜１３Ｂとの間の境界面に沿っておりかつ直線Ｌ１より左にある領域ＩＦ（図５では二点鎖線に囲まれた領域、図６では二点鎖線に挟まれた領域）に面転位（図中黒い部分）が見られる。言い換えれば、面転位は、第１の多層膜反射鏡１３の上面に沿った領域でありかつ基板１１の上面の法線方向から見て開口部２５Ｈと重なる領域、すなわち半導体構造層１５において電流が集中して流れる領域とかさなる領域に形成される。一方、法線方向から見て開口部２５Ｈと重ならない、すなわち電流が集中して流れる領域とかさならない、直線Ｌ１より右にある領域において面転位は形成されていない。
　これは、レーザデバイス１００の駆動時に、半導体構造層１５においての開口部２５Ｈ直下の領域に電流が流れることでその領域で熱が発生して歪みが発生し、同じく開口部２５Ｈの直下にある領域ＩＦに応力が掛かることによる。
　なお、図５、６において高屈折率半導体膜１３Ｂとｎ型半導体層１７はともにＧａＮであるため界面を確認することができない。
　上述のように、第１の多層膜反射鏡１３の低屈折率半導体膜１３Ａの最も上の層の上部には、不純物である水素が多く含まれており応力による面転位が発生しやすい領域が形成されている。
特に、その上面に異なる格子定数の材料の層が形成されているため面転位が発生しやすくなっている。格子定数の違いによる影響は、直上の高屈折率半導体膜１３Ｂは４５ｎｍ（５０ｎｍ以下）と薄いため、５５８ｎｍ（５００ｎｍ以上）と厚く形成されているｎ型半導体層１７からも与えられている。ｎ型半導体層１７は本実施例ではｎＧａＮだが、数パーセント程度のＩｎ，Ａｌなどが含まれていても格子定数の違いがあればやはり面転位を生じやすくする影響があるものと推測される。
この領域に、上記した半導体層における歪みによる応力が加わることにより、面転位が発生したと考えられる。半導体構造層１５において余り熱が発生せずに熱応力が余り発生しない開口部２５Ｈの外側で、面転位がほとんど発生していないことからも、面転位は駆動時に半導体構造層１５に発生する熱歪み及び熱応力によって生起すると推測される。
　この面転位が発生することで、駆動時、特に最初の駆動時に半導体構造層１５において発生した歪み及び内部応力が解放され、半導体構造層１５特に活性層１９に歪みによる損傷が発生しにくくなる。これにより、面発光レーザ１０の耐久性が高まる。
　また、上記した面転位が第１の多層膜反射鏡１３の低屈折率半導体膜１３Ａの最も上の層の上部に形成されることで、第１の多層膜反射鏡１３内部で転位が半導体構造層１５に内にまで伝播することが防止される。具体的には、第１の多層膜反射鏡１３内で発生した転位が半導体構造層１５に向かって伝搬した際に、当該転位の低屈折率半導体膜１３Ａと半導体構造層１５との界面に沿った方向への屈曲が発生し、当該転位が半導体構造層１５に進入することが妨げられる。
　このように、面発光レーザ１０においては、第１の多層膜反射鏡１３内で発生した転位が半導体構造層１５、特に活性層１９にまで伝播することが防止させられる。このことによっても、半導体構造層１５の損傷が防止され、面発光レーザ１０の耐久性が高まることになる。
　なお、上記面転位は、等価的なｍ軸方向 :［1-100］、［10-10］、［01-10］、［-1100］、［-1010］、［0-110］及び等価的なａ軸方向［1-210］、［2-1-10］、［11-20］、［-1210］、［-2110］、［-1-120］に伝搬する。
［製造方法］
　以下に、面発光レーザ１０の製造方法の一例について説明する。まず、基板１１として、上述のように上面にＣ面が露出したｎ－ＧａＮ基板を用意する。
　次に、当該基板１１の上面に、有機金属気相成長法（MOCVD）により、下地層（図示せず）としてＧａＮ（層厚１００ｎｍ）層を形成する。その後、当該下地層上にＡｌＩｎＮ／ＧａＮの層、すなわち上記した低屈折率半導体膜１３Ａ及び高屈折率半導体膜１３Ｂを４１ペア成膜して第１の多層膜反射鏡１３を形成する。
　第１の多層膜反射鏡１３の形成においては、まず成長基板の温度を８００℃にして、キャリアガスをＮ２とする。基板温度の安定化後、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡ）及びＮＨ３を供給し、ＡｌＩｎＮ層である低屈折率半導体膜１３Ａを下地層上に５０ｎｍ成長する。その後、有機金属材料（以下、ＭＯ材料）の供給を停止する。この低屈折率半導体膜１３Ａの形成の際、低屈折率半導体膜１３ＡであるＡｌＩｎＮ層のＩｎ組成が１８．５ａｔ％となるようにした。
　続けて、トリエチルガリウム（以下、ＴＥＧ）とＮＨ３を供給し、低屈折率半導体膜１３Ａ上にＧａＮからなるキャップ層（図示せず）を１ｎｍ成長した。その後、ＭＯ材料の供給を停止した。次にキャリアガスをＮ２からＨ２に変更し、基板の温度を８００℃から１１００℃まで３分かけて上昇させた後、ＴＭＧとＮＨ３を供給して、ＧａＮ層を４４ｎｍ形成した後、ＭＯ材料の供給を停止することで、キャップ層（図示せず）を含む高屈折率半導体膜１３Ｂを形成した。
　第１の多層膜反射鏡１３は、この低屈折率半導体膜１３Ａ及び高屈折率半導体膜１３Ｂの形成を繰り返し行うことで形成される。
　最上層の高屈折率半導体膜１３Ｂを形成する際に、キャリアガスをＨ２として１１００℃まで３分と時間を掛けて昇温することにより、その直下の低屈折率半導体膜１３Ａの上面に高濃度の水素が導入される。これにより、第１の多層膜反射鏡１３の低屈折率半導体膜１３Ａの最も上の層と高屈折率半導体膜１３Ｂとの界面に沿った領域に、上述したような水素不純物の多い基底面転位の発生しやすい領域が形成される。
　なお、低屈折率半導体膜１３Ａと高屈折率半導体膜１３Ｂとの界面に沿った領域が基底面転位の起こりやすい領域となるように水素の取り込みを促進するために、低屈折率半導体膜１３Ａの成長温度とｎ型半導体層１７の成長温度との差を２５０℃以上とした。また、低屈折率半導体膜１３Ａの成長温度からｎ型半導体層１７の成長温度への昇温時間を２．５分以上とした。
　次に、第１の多層膜反射鏡１３の上、具体的には最上層の低屈折率半導体膜１３Ａの上面にｎ型半導体層１７を形成する。材料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ３及びジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を供給してＳｉドープｎ－ＧａＮを層厚５５８ｎｍ成長させた。
　次に、ｎ型半導体層１７上に、ＧａＩｎＮ（層厚３ｎｍ）及びＧａＮ（層厚６ｎｍ）からなる層を５ペア積層することで、活性層１９を形成する。
　次に、活性層１９上に、ＭｇドープＡｌＧａＮからなる電子障壁層（２０ｎｍ）を形成し（図示せず）、当該電子障壁層上にｐ－ＧａＮ層（層厚５０ｎｍ）を成膜してｐ型半導体層２１を形成する。
　次に、ｐ型半導体層２１、活性層１９及びｎ型半導体層１７の周囲の部分をエッチングして、当該周囲の部分においてｎ型半導体層１７の上面１７Ｓが露出するようなメサ形状を形成する。言い換えれば、この工程で、図１のｎ型半導体層１７、活性層１９及びｐ型半導体層２１からなる円柱上の部分を有する半導体構造層１５が完成する。
　次に、ｐ型半導体層２１の上面の中央部の周囲をエッチングして、突出部２１Ｐを形成する。その後、半導体構造層１５上に、ＳｉＯ２を成膜して、その一部を除去して開口部２５Ｈを形成することで絶縁層２５を形成する。言い換えれば、ｐ型半導体層２１の上面のエッチング除去された部分に、ＳｉＯ２を埋め込む。
　次に、絶縁層２５上にＩＴＯを２０ｎｍ成膜して透明電極２７を形成し、透明電極２７の上面及びｎ型半導体層１７の上面１７ＳにそれぞれＡｕを成膜してｐ電極２９及びｎ電極２３を形成する。
　次に、透明電極２７上にＮｂ２Ｏ５を４０ｎｍ、スペーサー層（図示せず）として成膜し、当該スペーサー層上に、１ペアがＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2からなる層を１０．５ペア成膜して、第２の多層膜反射鏡３１を形成する。
　基板１１の裏面にＡＲコートを施す場合、最後に基板１１の裏面を研磨し、当該研磨面にＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2からなるＡＲコートを形成することで、面発光レーザ１０が完成する。
　以下、本発明の実施例２である面発光レーザ７０について説明する。面発光レーザ７０は、上述した電流狭窄構造を形成するために、絶縁層２５の代わりに半導体構造層１５内にトンネル接合構造を形成する点で、実施例１の面発光レーザ１０とは異なる。具体的には、面発光レーザ７０は、ｐ型半導体層２１より上の構造が面発光レーザ１０と異なる。
　図７は、図１に示したのと同様の切断線で面発光レーザ７０を切断した際の切断面、すなわち図２に対応した切断面を示す断面図である。図７に示すように、面発光レーザ７０においては、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐ上に、トンネル接合層７１が形成されている。すなわち、面発光レーザ７０においては、半導体構造層１５内の中央領域ＣＡにトンネル接合層７１が形成されている。
　トンネル接合層７１は、ｐ型半導体層２１上に形成され、ｐ型半導体層２１よりも高い不純物濃度を有するｐ型半導体層であるハイドープｐ型半導体層７１Ａと、ハイドープｐ型半導体層７１Ａ上に形成され、ｎ型半導体層１７よりも高い不純物濃度を有するｎ型半導体層であるハイドープｎ型半導体層７１Ｂと、を含んでいる。
　ｎ型半導体層７３は、ｐ型半導体層２１及びトンネル接合層７１上に形成されている。ｎ型半導体層７３は、ｐ型半導体層２１の上面においてトンネル接合層７１を埋め込むように形成されている。言い換えれば、ｎ型半導体層７３は、突出部２１Ｐの側面並びにトンネル接合層７１の側面及び上面を覆うように形成されている。
　ｎ型半導体層７３は、ｎ型半導体層１７と同様のドーピング濃度を有するｎ型半導体層である。すなわち、ｎ型半導体層７３は、ハイドープｎ型半導体層７１Ｂよりも低いドーピング濃度を有している。
　このような、ｐ型半導体層２１、トンネル接合層７１及びｎ型半導体層７３の積層構造により、トンネル接合層７１部分でトンネル効果が生ずる。これにより、面発光レーザ７０においては、ｐ型半導体層２１とｎ型半導体層７３との間において、トンネル接合層７１の部分にのみ電流が流れ、電流が中央領域ＣＡに狭窄される電流狭窄構造が形成される。
　ｐ側電極７５は、ｎ型半導体層７３の上面の周縁部に沿って形成された金属電極である。面発光レーザ７０においては、ｐ側電極７５、ｎ型半導体層７３、トンネル接合層７１、ｐ型半導体層２１、活性層１９、ｎ型半導体層１７を通ってｎ電極２３まで電流が流れる。
　第２の多層膜反射鏡７７は、ｎ型半導体層７３の上面のｐ側電極７５に囲まれた領域に形成されており、実施例１の面発光レーザ１０の第２の多層膜反射鏡３１と同様の構成を有している分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。
　このような、トンネル接合層による電流狭窄構造を持った面発光レーザ７０においても、実施例１の面発光レーザ１０について説明したような、第１の多層膜反射鏡１３において基底面転位が発生しやすい領域が形成されることによる効果を同様に得ることが可能である。
　上述の実施例１においては、ｐ型半導体層２１の上面に電気的接触面２１Ｓ及びその周囲の絶縁領域を形成して電流狭窄を生じさせかつ屈折率が低い領域を形成するために、絶縁層２５を設けることとしたが、絶縁層２５を設ける代わりに他の方法で電流狭窄を生じさせかつ屈折率の低い領域を生じさせてもよい。
　例えば、上記実施例で絶縁層２５が設けられているｐ型半導体層２１の上面をエッチングすることによって、絶縁領域及び屈折率の低い領域並びに電気的接触面２１Ｓを形成してもよい。また、絶縁層２５が設けられているｐ型半導体層２１の上面に、イオン注入をすることによって、絶縁領域及び屈折率の低い領域並びに電気的接触面２１Ｓを形成して、上記実施例における絶縁層２５を形成したのと同様の電流狭窄効果を生じさせることとしてもよい。イオン注入をする場合、例えば、ｐ型半導体層２１に、Ｂイオン、Ａｌイオン、又は酸素イオンを注入する。
　また、上述した実施例では第１の多層膜反射鏡の最上層は高屈折率半導体膜１３ＢのＧａＮ層としたが、低屈折率半導体膜１３ＡのＡｌＩｎＮ層としてもよい。この場合は最上層であるＡｌＩｎＮ層とｎ型半導体層との界面で面転位が発生する。
　上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される面発光レーザに応じて、適宜選択することができる。
１０、７０　面発光レーザ
１１　基板
１３　第１の多層膜反射鏡
１５　半導体構造層
１７　ｎ型半導体層
１９　活性層
２１　ｐ型半導体層
２３　ｎ電極
２５　絶縁層
２７　透明電極
２９　ｐ電極
３１　第２の多層膜反射鏡
７１　トンネル接合層
７３　ｎ型半導体層
７５　ｐ側電極
７７　第２の多層膜反射鏡

Claims (8)

  1. 　窒化ガリウム系半導体基板と、
    　前記基板上に形成され、かつＩｎを組成に含むＩｎ含有窒化物半導体層とＩｎを含まないＩｎ非含有窒化物半導体層とが交互に積層されてなる第１の多層膜反射鏡と、
    　前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、
    　前記半導体構造層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、
    　前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間に形成され、前記活性層の１の領域に電流を集中させる電流狭窄構造と、を有し、
    　前記第１の多層膜反射鏡の最も上に形成される前記Ｉｎ含有窒化物半導体層の上面に沿った領域は、他の領域よりも水素不純物濃度が高いことを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  2. 　前記第１の多層膜反射鏡の最も上に形成されるＩｎ含有窒化物半導体層の上面に沿った領域には、水素不純物濃度が１Ｅ１８／ｃｍ３以上の部分が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
  3. 　前記Ｉｎ含有窒化物半導体層はＡｌＩｎＮ組成を有し、前記Ｉｎ非含有窒化物半導体層はＧａＮ組成を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直共振器型発光素子。
  4. 　前記第１の多層膜反射鏡の最上層は前記Ｉｎ非含有窒化物半導体層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子
  5. 前記第１の多層膜反射鏡の最上層は前記Ｉｎ含有窒化物半導体層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子
  6. 　窒化ガリウム系半導体基板と、
    前記基板上に形成され、かつＩｎを組成に含むＩｎ含有窒化物半導体層とＩｎを含まないＩｎ非含有窒化物半導体層とが交互に積層されてなる第１の多層膜反射鏡と、
    　前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、
    　前記半導体構造層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、
    　前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間に形成され、前記活性層の１の領域に電流を集中させる電流狭窄構造と、を有し、
    　前記第１の多層膜反射鏡の最も上に形成される前記Ｉｎ含有窒化物半導体層の上面に沿った領域でありかつ前記窒化ガリウム系半導体基板の上面の法線方向から見て前記１の領域と重なる領域に面転位が形成されていることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  7. 　前記面転位は、前記垂直共振器型発光素子を駆動させた後に形成された面転位であることを特徴とする請求項６に記載の垂直共振器型発光素子。
  8. 　前記第１の多層膜反射鏡の最も上に形成される前記Ｉｎ含有窒化物半導体層の上面に沿った領域でありかつ前記窒化ガリウム系半導体基板の上面の法線方向から見て前記１の領域と重ならない領域は前記面転位が形成されないことを特徴とする請求項４または５に記載の垂直共振器型発光素子。
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