WO2024084898A1

WO2024084898A1 - 垂直共振器型発光素子

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Publication number: WO2024084898A1
Application number: PCT/JP2023/034557
Authority: WO
Inventors: 大倉本
Original assignee: スタンレー電気株式会社
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2023-09-22
Publication date: 2024-04-25

Abstract

低閾値電流密度及び高発光効率を有し、かつ寿命が改善された垂直共振器型発光素子を提供する。垂直共振器面発光レーザ１０は、半導体ＤＢＲ１２と、半導体ＤＢＲ１２上に形成されたｎ型半導体層１３と、ｎ型半導体層１３上に設けられた活性層１５と、活性層１５上に設けられた中間層１６と、中間層１６上に設けられ、Ａｌを組成に含む電子障壁層１７と、電子障壁層１７上に設けられ、Ａｌを組成に含み、不純物がドーピングされたｐ型半導体層１８と、ｐ型半導体層１８上に設けられた半導体ＤＢＲ２５と、を備えている。電子障壁層１７は活性層１５から離れる方向にＡｌ組成が減少する組成傾斜層であり、不純物の不純物濃度は、電子障壁層１７内にピークを有し、ピークから活性層１５に近づく方向に減少している。

Description

垂直共振器型発光素子

　本発明は、垂直共振器型発光素子に関する。

　従来、基板面に対して垂直に光を共振させ、当該基板面に垂直な方向に光を出射させる構造を有する垂直共振器面発光レーザ（VCSEL：vertical cavity surface emitting laser）などの垂直共振器型発光素子が知られている。

　垂直共振器型発光素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などと比べて活性層に高いキャリア密度が求められる。垂直共振器型発光素子の注入効率を高め、光出力向上のため種々の開発がなされている。

　特許文献１には、レーザダイオードの発光効率を高めるため、活性層から離れる方向に向かってＡｌ組成比が連続的に増加するＡｌＧａＮで形成された領域を含む組成傾斜領域を有する窒化物半導体レーザダイオードが開示されている。

　また、特許文献２には、基板から遠ざかる方向に向かってＡｌ組成ｙが減少している組成傾斜層による分極ドーピング効果を利用した窒化物半導体を有する紫外線発光素子が開示されている。

　特許文献３には、ｐ型ドーパントとしてＭｇを含む電子ブロック層を有する半導体ウエハが開示されている。

　特許文献４には、活性層への正孔注入効率を改善するため、自発分極とピエゾ分極の和が負になる側に向かってＡｌ組成値が減少するように組成傾斜した組成傾斜層を有する窒化物半導体発光素子が開示されている。

特開２０２１－１８４４５６号公報特開２０２２－０４１７３８号公報特許第６８３００９８号公報特許第６１９２３７８号公報

　従来の垂直共振器発光素子においては、さらなる閾値電流の低減、発光効率及び寿命の改善が課題であった。

　本願発明は、低閾値電流密度及び高発光効率を有し、かつ寿命が改善された垂直共振器型発光素子を提供することを目的とする。

　本発明の１の態様による垂直共振器型発光素子は、
　第１の反射ミラーと、
　前記第１の反射ミラー上に形成されたｎ型半導体層と、
　前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、
　前記活性層上に設けられた中間層と、
　前記中間層上に設けられ、Ａｌを組成に含む電子障壁層と、
　前記電子障壁層上に設けられ、不純物がドーピングされたｐ型半導体層と、
　前記ｐ型半導体層上に設けられた第２の反射ミラーと、を備え、
　前記電子障壁層は、前記活性層から離れる方向にＡｌ組成が減少する組成傾斜層であり、
　前記不純物の不純物濃度は、前記電子障壁層内にピークを有し、前記ピークから前記活性層に近づく方向に減少している。

本発明の第１の実施形態による垂直共振器面発光レーザの構造を模式的に示す断面図である。垂直共振器面発光レーザの伝導帯のバンド構造を模式的に示す図である。電子障壁層（ＥＢＬ）及びその近傍の伝導帯のバンド構造を拡大して模式的に示す図である。垂直共振器面発光レーザの半導体層のＳＩＭＳ分析プロファイルを示す図である。ｎ型半導体、活性層（発光層）及びｐ型半導体からなるｐｎ接合構造のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムである。ピエゾ分極によって生成されるホールを概念的に説明するための図である。電子障壁層（ＥＢＬ）のバンドダイアグラムを示す図である。図６Ｂに示す電子障壁層の活性層層側の界面からの距離ｚに対する生成ホール濃度のシミュレーション結果を示すグラフである。電子障壁層において生成されるホール濃度（ｃｍ^-3）を電子障壁層のＡｌの平均組成傾斜ＣＳ（％／ｎｍ）に対してプロットしたグラフである。電子障壁層のＡｌ組成プロファイルの他の例を示す図である。電子障壁層のＡｌ組成プロファイルの他の例を示す図である。電子障壁層のＡｌ組成プロファイルの他の例を示す図である。実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザにおいて、活性層から誘電体ＤＢＲまでの半導体層中における電界強度の定在波を模式的に示す図である。実施例２の垂直共振器面発光レーザ、比較例１及び比較例２の垂直共振器面発光レーザの素子特性（光出力－電流密度特性）を示すグラフである。第２の実施形態の垂直共振器面発光レーザの構造を模式的に示す断面図である。

　以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

［第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態による垂直共振器面発光レーザ１０の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態において、垂直共振器面発光レーザ１０は、III－Ｖ族窒化物系の半導体層からなる窒化物面発光レーザである。

　垂直共振器面発光レーザ１０は、基板１１上に、半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）１２，ｎ型半導体層１３、多重量子井戸からなる活性層１５、中間層１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７及びｐ型半導体層１８をこの順で順次、結晶成長して形成されている。

　基板１１は、ＧａＮ基板である。基板１１は、Ｃ面からＭ面方向に０．５°、Ａ面方向に０±０．１°傾斜した＋Ｃ面ＧａＮ基板である。

　有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、半導体層の結晶成長を行った。基板１１上に、層厚が約１μｍの下地ＧａＮ層１１Ｂを成長し、下地ＧａＮ層１１Ｂ上に分布ブラッグ反射鏡である半導体ＤＢＲ１２を形成した。

　半導体ＤＢＲ１２（第１の反射ミラー）は、ｎ型のＧａＮ膜及びＡｌＩｎＮ膜を４２ペア積層して形成した。なお、半導体ＤＢＲ１２の各半導体膜は、活性層１５の発光波長λのλ／４ｎ（ｎは各半導体膜の屈折率）となる膜厚を有する。

　半導体ＤＢＲ１２上に、Ｓｉ（シリコン）をドープしたｎ型ＧａＮ層であるｎ型半導体層１３（層厚：３５０ｎｍ）を成長した。

　ｎ型半導体層１３上に、障壁層（バリア層）１５Ｂ及び量子井戸層（ウエル層）１５Ｗを交互に形成し、４つの量子井戸層１５Ｗを有する活性層１５を形成した。バリア層１５ＢはＧａＩｎＮ（層厚：３ｎｍ）からなり、ウエル層１５ＷはＧａＮ（層厚：４ｎｍ）からなる。なお、バリア層１５Ｂ及びウエル層１５Ｗの組成及び層厚は所望の発光波長、発光特性等に応じて適宜選択することができる。

　活性層１５の最終層である最終ウエル層１５ＷＬ上に、最終バリア層である中間層（ＬＢ）１６としてアンドープＧａＮを１２０ｎｍの層厚で成長した。すなわち、中間層１６は、活性層１５と電子障壁層（ＥＢＬ）１７との間の層である。

　次に、Ｍｇ（マグネシウム）を不純物としてドープしたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（Ａｌ組成：ｘ）からなる電子障壁層（ＥＢＬ）１７を成長した。

　続いて、電子障壁層１７（ｐ－ＡｌＧａＮ）上に、ｐ型半導体層１８としてＭｇをドープしたｐ－ＧａＮ層を８３ｎｍ成長した。

　以上のようにして成長したウエハをｎ型半導体層１３の内部に至るように外周部をエッチングして円柱状のメサ構造を形成した。

　当該メサ構造の最上層の半導体層であるｐ型半導体層１８をドライエッチングでおよそ２０ｎｍの深さで外周部をエッチングして凹部を形成し、円柱状メサ凸部を有するｐ型半導体層１８を形成した。

　エッチングによって形成されたｐ型半導体層１８の凹部に横方向電流および光閉じ込めのための絶縁膜（ＳｉＯ₂）２１を２０ｎｍの厚さで堆積した。これによりｐ型半導体層１８の凹部は平坦化されるとともに、電流狭窄構造が形成され、円柱状（中心軸：ＣＸ）の電流注入領域が形成された。

　次に、ｐ型半導体層１８及び絶縁膜２１上に、透明導電膜２２としてＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜を２０ｎｍの厚さで成膜した。

　続いて、スペーサ層２４として誘電体（Ｎｂ₂Ｏ₅）を３８ｎｍの厚さで成膜した。スペーサ層２４は、位相調整層として機能する。

　さらにスペーサ層２４上に、誘電体ＤＢＲ２５（第２の反射ミラー）を成膜した。誘電体ＤＢＲ２５は、ＳｉＯ₂（１１層）及びＮｂ₂Ｏ₅（１０層）の１０．５ペアからなる。なお、誘電体ＤＢＲ２５は、ｐ型半導体層１８の円柱状メサと共軸であるように形成されることが好ましい。

　次に、ｎ型半導体層１３の外周部の凹部上にｎ電極２７を、透明導電膜２２上にｐ電極２８を形成した。また、基板１１の裏面を研磨し、Ｎｂ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂の２層からなるＡＲ（無反射）コーティング２９（反射防止膜）を形成した。以上により、垂直共振器面発光レーザ１０の形成が完了した。

　なお、上記した中間層（ＬＢ）１６の組成及び層厚は例示に過ぎない。すなわち、中間層１６をＧａＮ層として説明したが、他の組成の窒化物半導体層、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどを用いてもよい。また、中間層１６はアンドープ層としたが、電子障壁層１７又はｐ型半導体層１８から拡散したドーパントが混入していてもよい。

　また、電子障壁層１７の層厚は例示に過ぎない。電子障壁層１７は、例えば３～３０ｎｍの層厚を有していてもよい。また、電子障壁層１７は、Ａｌを組成に含む窒化物半導体からなる。さらに、電子障壁層１７は、Ａｌ組成が層厚方向で変化する組成傾斜層として形成されている。詳細は、後述する。

　電子障壁層１７はｐ型半導体層（ｐ－ＡｌＧａＮ）として説明したが、ｉ層として成長し、ｐ型半導体層１８から拡散した不純物（Ｍｇ）が混入した、Ａｌを組成に含むｐ型半導体層であってもよい。

　また、活性層１５が量子井戸活性層であって４つの量子井戸層１５Ｗを有する場合を例示したが、少なくとも１つの量子井戸層を有していればよい。また、活性層１５は、量子井戸活性層に限らない。いわゆるバルク構造の活性層を用いることもできる。

　さらに、ｐ型半導体層１８は、互いに組成及び／又はドープ濃度の異なる層、及びアンドープ層を含む複数の半導体層から構成されていてもよい。また、ｎ－半導体層１３も同様に、複数の半導体層から構成されていてもよい。

　誘電体ＤＢＲ２５が、ＳｉＯ₂膜及びＮｂ₂Ｏ₅膜からなる場合について例示したが、他の組み合わせによる屈折率が互いに異なる誘電体膜から構成されていてもよい。また、屈折率が互いに異なる半導体膜から構成された半導体ＤＢＲにより構成されていてもよい。

　図２は、垂直共振器面発光レーザ１０の伝導帯のバンド構造を模式的に示す図である。なお、活性層１５からｐ型半導体層１８までのバンド構造について示している。

　活性層１５は、ＱＷ１～ＱＷ４の４つのウエル層１５Ｗとそれらの間に設けられたバリア層１５Ｂとからなる。中間層（ＬＢ）１６に隣接する量子井戸層ＱＷ４が最終ウエル層１５ＷＬである。

　中間層１６は層厚ｔ１を有し、電子障壁層１７は層厚ｔ２を有し、ｐ型半導体層１８は層厚ｔ３を有している。

［電子障壁層のＡｌ組成］
　図３は、電子障壁層１７（ＥＢＬ）及びその近傍の伝導帯のバンド構造を拡大して模式的に示す図である。また、図２と同様に、図の左側が活性層１５（ＡＣＴ）側である。

　図３に示すように、電子障壁層１７は、活性層１５（ＡＣＴ）から離れる方向にＡｌ組成が減少するＡｌ組成傾斜層として形成されている。具体的には、電子障壁層１７のＡｌ組成（ｘ）は、ｘ１（％）からｘ２（％）に直線的に減少している。

　なお、本願明細書において、Ａｌ組成（ｘ）の「組成傾斜」とは、Ａｌ組成が直線的又は単調に減少する場合に限らない。活性層１５側の界面（中間層１６との界面）でのＡｌ組成（ｘ１）が最も高く、ｐ型半導体層１８との界面でのＡｌ組成（ｘ２）が最も低ければよい。また、活性層１５側の界面からｐ型半導体層１８との界面に向けて組成（ｘ）が一定の部分を含んでいてもよい。

　また、図３には、ｐドーパントであるＭｇの濃度プロファイル（破線）を模式的に示している。Ｍｇの濃度プロファイルに示すように、Ｍｇ濃度は、中間層１６と電子障壁層１７との界面から活性層１５に近づく方向に減少していき、電子障壁層１７の終端（ｐ型半導体層１８との界面）近傍でピークを有する。なお、ここで、ｐ型半導体層１８との界面近傍とは、少なくとも電子障壁層１７の中央よりもｐ型半導体層１８に近い位置をいう。

　また、Ｍｇ濃度のプロファイルは、電子障壁層１７とｐ型半導体層１８との界面近傍、すなわち当該界面に対応する位置であって上記したＭｇ濃度のピークよりｐ型半導体層１８側にボトムを呈する。すなわち、Ｍｇ濃度のプロファイルは、当該界面位置にディップを有し、当該界面近傍に当該ディップのボトムが形成される。

　かかるＭｇ濃度プロファイルは、中間層１６（ＧａＮ層）とｐ型半導体層１８（ｐ－ＧａＮ層）との間に電子障壁層１７（ＡｌＧａＮ層）が設けられたことに起因している。

　図４は、垂直共振器面発光レーザ１０の半導体層のＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）により分析されたプロファイルを示している。ｐ型半導体層１８の表面から分析を行っており、図中、右方向が深さ方向であり、ｐ型半導体層１８から活性層１５への方向である。すなわち、図２及び図３とは横軸の活性層１５と電子障壁層１７との位置関係が逆である点に留意する必要がある。すなわち、図４では、活性層１５（ＡＣＴ）から離れる方向は図の左方向である。

　図４に示すように、電子障壁層１７内において、電子障壁層１７のＡｌ組成は、中間層１６近傍でピークを有し、活性層１５から離れる方向に減少している。

　一方、Ｍｇ濃度は、電子障壁層１７内において、活性層１５に近づく方向に減少している。すなわち、Ｍｇ濃度プロファイルは、Ａｌの組成傾斜とは逆向きの濃度傾斜を有している。

　すなわち、電子障壁層１７は、Ａｌ組成が活性層１５側で高く、ｐ型半導体層１８側で低い組成傾斜を有するとともに、電子障壁層１７内のＭｇ濃度は活性層１５に近づく方向に減少する。

　なお、ｐ型半導体層１８から電子障壁層１７に不純物（Ｍｇ）が拡散した場合であっても、電子障壁層１７のＭｇ濃度は上記と同様なプロファイルを呈する。すなわちＭｇ濃度は、当該ボトムを呈し、活性層１５に近づく方向に減少する。

［電子障壁層の実効バリア、Ｍｇ濃度、ピエゾ分極によるホール生成］
　以下に電子障壁層の実効的なバリアとｐドーパントであるＭｇの濃度との関係、及びピエゾ分極によるホール生成について説明する。

　従来、電子障壁層のＭｇ濃度を増加させることによって、キャリアの注入効率を高め、レーザダイオード（ＬＤ）及び垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の高効率化を図ることが行われていた。

　しかしながら、垂直共振器面発光レーザの長寿命化のためにはＭｇ濃度の急峻性を低下させ、活性層側のＭｇ濃度を低下させる必要があった。一方、活性層側のＭｇ濃度を低下させると、外部量子効率が低下するという課題があった。

　特に、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザでは、ＬＥＤに比べて、駆動電流密度や発光層内の電子・ホール濃度が２桁程度高いため、電子障壁層のＭｇ濃度を下げると実効バリアエネルギーが低下し、高エネルギーの電子がｐ層側に漏れて注入効率が低下するという課題があった。

　図５は、ｎ型半導体、活性層（発光層）及びｐ型半導体からなるｐｎ接合構造のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムである。

　キャリアの活性層への注入効率を決定する実効バリア高さＢ_effは、当該ｐｎ接合への印加電圧をＶ_A、フェルミ準位をＥ_F、バンドギャップをＥ_gとすると、Ｂ_eff＝Ｅ_g－Ｖ_A－Ｅ_Fで表される。

　フェルミ準位Ｅ_Fは、Ｍｇ濃度によって変化する。具体的には、Ｍｇ濃度（アクセプタ濃度）を減少させると、フェルミ準位Ｅ_Fは上昇し、実効バリア高さＢ_effは低下する。実効バリア高さＢ_effが低下すると、電子障壁層の障壁効果が低下し、電子の注入効率が低下する。

　図６Ａは、ピエゾ分極によって生成されるホールを概念的に説明するための図である。また、図６Ｂは、電子障壁層１７のバンドダイアグラムを示し、図６Ｃは、図６Ｂに示す電子障壁層１７の活性層層１５側の界面からの距離ｚ（積層方向の距離）に対するホール濃度のシミュレーション結果を示すグラフである。

　なお、ピエゾ分極は、非対称な結晶構造である結晶系（例えば、六方晶）において生じる。下記のシミュレーションは、ＧａＮ基板の＋Ｃ面上にＡｌＧａＮからなる電子障壁層を形成した場合について行った。

　図６Ａに示すように、Ａｌ傾斜組成の電子障壁層１７（ＡｌＧａＮ）にはピエゾ分極によって分極電荷が生じる（左側の図）。Ａｌ組成が大きいほど分極は大きい。この分極電荷によって電子障壁層１７にホールが生成される（右側の図）。

　図６Ｂに示すように、電子障壁層１７は活性層１５側のＡｌ組成が５０％であり、ｐ－ＧａＮ層１８側のＡｌ組成が１５％である。また、電子障壁層１７は層厚１０ｎｍを有している。

　図６Ｃに示すように、電子障壁層１７には、１．９×１０¹⁹ｃｍ^-3～２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度のホールが生成されることがわかる。

　すなわち、Ｍｇのドーピング量を低減しても高いホール濃度が得られるので、フェルミ準位が上昇することなく、実効バリア高さを確保できることが分かった。すなわち、Ｍｇのドーピング濃度の低減を行いつつ、高い注入効率を維持することができる。

　再び、図４のＳＩＭＳデータを参照すると、Ｍｇ濃度は、電子障壁層１７とｐ型半導体層１８（ｐ－ＧａＮ層）との界面近傍にボトム（Ｍｇ濃度：約３×１０¹⁸ｃｍ^-3）を有している。

　電子障壁層１７とｐ型半導体層１８（ｐ－ＧａＮ層）との間にＭｇ濃度のボトムが形成されることで、Ｍｇ濃度の総量を低減することができ、素子寿命を長くすることができる。

　なお、素子寿命の観点から、電子障壁層１７及び中間層１６の界面におけるＭｇ濃度は、１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3未満であることが好ましく、５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3未満であることが好ましい。

　また、図４に示すようにＭｇ濃度のボトムに対応する位置に水素（Ｈ）のピークが形成されている。すなわち、Ｍｇ濃度のボトムを有する部分によって水素がトラップされ、水素のピークが形成されている。

　したがって、水素が活性層１５に入ることが抑制され、垂直共振器面発光レーザ１０の電圧－電流特性などの光出力特性が安定化される。

［電子障壁層のＡｌ組成プロファイル］
　図７は、電子障壁層１７において生成されるホール濃度（ｃｍ^-3）を電子障壁層１７のＡｌの平均組成傾斜ＣＳ（％／ｎｍ）に対してプロットしたグラフである。

　生成ホール濃度が５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることが垂直共振器面発光レーザ１０の注入効率を維持するのに必要であるので、図７のグラフから、平均組成傾斜ＣＳは０．９（％／ｎｍ）以上であることが好ましい。

　なお、Ａｌ組成が直線的に傾斜している場合以外には、平均組成傾斜ＣＳ（すなわち、ＣＳ＝（ｘ１－ｘ２）／ｔ２）が０．９（％／ｎｍ）以上であることが好ましい。

　なお、電子障壁層１７のＡｌ組成プロファイルは上記した直線状の組成傾斜に限らない。電子障壁層１７のＡｌ組成は、電子障壁層１７の活性層１５側において最も高く、ｐ型半導体層１８側において最も低ければよい。

　一方、電子障壁層１７の平均Ａｌ組成（％）と層厚の積（ｎｍ）が一定以上になると、電子障壁層１７で応力による破壊が起き、クラックが生じる。具体的には、平均Ａｌ組成（％）と層厚ｔ２（ｎｍ）の積が７００（％・ｎｍ）を超えるとクラックが生じ得る。例えば、電子障壁層１７の平均Ａｌ組成が７０％、層厚ｔ２が１０ｎｍであるとクラックが生じ得る。したがって、電子障壁層１７における平均Ａｌ組成（％）と層厚ｔ２（ｎｍ）の積は７００（％・ｎｍ）未満であればよい。

　例えば、図８Ａに示すように、電子障壁層１７は、活性層１５側からｐ型半導体層１８側に階段状にＡｌ組成が低下していくＡｌ組成プロファイルを有していてもよい。

　又は、図８Ｂに示すように、電子障壁層１７は、活性層１５側からＡｌ組成が低下する傾斜組成部と、当該傾斜組成部からｐ型半導体層１８までＡｌ組成が一定である組成一定部からなるＡｌ組成プロファイルを有していてもよい。

　又は、図８Ｃに示すように、電子障壁層１７は、活性層１５側からＡｌ組成が一定である組成一定部と、当該組成一定部からｐ型半導体層１８までＡｌ組成が低下する傾斜組成部とからなるＡｌ組成プロファイルを有していてもよい。

　あるいは、電子障壁層１７は、これらを組み合わせたＡｌ組成プロファイルを有していてもよい。

［多重量子井戸活性層へのキャリア注入の高効率化］
　以上、詳細に説明したように、前述のＡｌ組成プロファイル及び不純物（Ｍｇ）濃度を満たすように形成された垂直共振器面発光レーザ１０により本願の課題であるキャリア注入効率及び信頼性（素子寿命）の改善がなされる。

　さらに、複数の量子井戸層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を活性層に用いる場合には、さらに以下に述べる条件を満たすことにより、より高いキャリア注入効率及び長寿命化を図ることができる。

　まず、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）又は回折格子等の高反射ミラーと共振器内部の最初の界面を位相０"（基準）と定義する。

　共振器中の各層の屈折率ｎ_iと層厚ｔ_i、及び発光波長λを用いて、共振器中の定在波の合計位相情報は、以下の式（１）で表される。

　なお、層内部での所定位置での定在波の合成情報は、共振器側の他の層との界面から所定位置までの厚みをｔ_iと置き換えて考える。

　そして、第１の条件は、ｐ領域であるｐ型半導体層１８及び電子障壁層１７に含まれる定在波ＳＷの腹ＡＮの数Ｎ_AN及び節ＮＤの数Ｎ_NDはそれぞれ０又は１（Ｎ_AN＝０又はＮ_AN＝１、Ｎ_ND＝０又はＮ_ND＝１）である。

　なお、透明導電膜２２（ＩＴＯ）、ｐ型半導体層１８及び電子障壁層１７の各層厚をＨ_ITO，Ｈ_GaN，Ｈ_EB，各屈折率をｎ_ITO，ｎ_GaN，ｎ_EBとし、波長をλとしたとき、以下の式（２）を満たすことが好ましい。

　さらに、第２の条件は、中間層１６内に含まれる定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮの数がそれぞれ１以上（Ｎ_ND≧１及びＮ_AN≧１）である。

　なお、定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮの数Ｎ_ND、Ｎ_ANは、上記式（１）を用い、ｐ領域及び中間層１６における合計位相をそれぞれ算出し、ｐ領域及び中間層１６中において位相がｋπ（ｋ＝１，２，・・・）である数、及び、位相が（２ｌ－１）π／２（ｌ＝１，２，・・・）である数から求めることができる。

　式(１)=ｋ/2（ｋ＝１，２，・・・）となるのは定在波が腹ＡＮとなる位置を示し、式(１)=(2l-1)/４（l＝１，２，・・・）は定在波が節ＮＤとなる位置を示す。すなわちｐ型半導体層１８及び電子障壁層１７および中間層１６内のＮ_ND、Ｎ_ANは、各層の積層範囲内に上記の腹ＡＮ、節ＮＤとなる位置が各々いくつ含まれるかをカウントすることで求められる。

　また、中間層１６及び活性層１５の層厚をそれぞれＨ_fb，Ｈ_qwとしたとき、以下の式（３）を満たすことが好ましい。ここで、ｎ_fbは中間層１６の屈折率、ｎ_qwは活性層１５の等価屈折率である。

　さらに、(i) 中間層１６がλ／４以上の層厚を有することが好ましい。すなわち、以下の式（４）を満たすことが好ましい。

　また、(ii) 中間層１６内に含まれる節ＮＤの数が２つ以上（Ｎ_ND≧２）、腹ＡＮの数が１以上（Ｎ_AN≧１）であることが好ましい。 (i)及び(ii)を満たす場合においては、さらに、以下の式（５）を満たすことが好ましい。

　また、活性層１５の層厚はλ／８以下、すなわち以下の式（６）を満たすことが好ましい。この場合、活性層１５の光閉じ込め損失を減らすことができる。

　以上のように構成することで、ｐ型半導体層１８から電子障壁層１７への光の電界強度が強まる。また、中間層１６内に光の電界強度の高い腹ＡＮが存在し、かつ少なくとも１つの節ＮＤが存在することにより、大きな光利得が得られる程度に活性層１５が励起される。

　さらに、高反射ミラーである半導体ＤＢＲ１２及び誘電体ＤＢＲ２５によって内部の光強度が強まった場合に、中間層１６での電子及びホールが内部光によって励起され、電子障壁層１７とｐ型半導体層１８との界面に溜まったホールが活性層１５に引き抜かれ、活性層１５へのスイッチング的なホール注入が生じる。

　その結果、活性層１５の複数のウエル層１５Ｗのそれぞれのキャリア（電子及びホール）の均一性が改善され、効率のよい、面発光レーザを実現することができる。

［特性改善のメカニズムの考察］
　以上のように構成することで、活性層１５のウエル層１５Ｗのそれぞれのキャリア（電子及びホール）の均一性が改善され、効率のよい、面発光レーザを実現することができる。このように効率等の特性を向上させることができるメカニズムについて考察する。

　特性改善のメカニズムは、多重量子井戸のキャリア不均一性を解消するために、ホールをスイッチング的に注入していることと関連していると考えられる。本面発光レーザでは、活性層（多重量子井戸）の中央に定在波の腹を合わせて設計する。すなわち、光の電界が大きいところに活性層を配置することで光と電子ホール再結合との相互作用を大きくする。

　したがって、活性層１５に隣接する中間層１６は、光の電界強度が減る方向になる。ところが、上記のように活性層とは異なる定在波の腹が位置する、もしくは腹の近傍まで含むような中間層１６を配置することで、レーザ発振電流の閾値近傍でこの層の光強度が大幅に上昇し、キャリア（電子とホール）が生成され、電子障壁層１７のp型半導体層１８側にあるホールを一気に引き込む効果があると推測される。この引き込みは、ｐ領域の電気的な電界傾斜が高い場合に起こりやすい。

　この効果は、p型半導体層１８側にたまるホール濃度が大きくなることと、電子障壁層１７の電気的な電界傾斜が大きくなることに起因していると考えられる。このスイッチング的なホールの引き込みにより、多重量子井戸のキャリア分布の均一性が改善し、内部損失が低減すると考えられる。したがって、場合によっては、レーザ発振に起因して、閾値近傍で微分抵抗及び駆動電流の極小値（ｄＲ／ｄＩ＝０，ｄ²Ｖ／ｄＩ²＝０）のような通常の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の特性では見られない特性が得られる場合がある。したがって、中間層１６の腹の位置とｐ層（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）の薄膜化と高反射ミラーによる垂直方向の強い光のフィードバックと光利得が存在するような光強度が重要なファクターとなる。

［実施例１］
　図９は、本実施形態の実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０において、活性層１５から誘電体ＤＢＲ２５までの半導体層中における活性層１５からの発光の電界強度の定在波ＳＷを模式的に示す図である。

　前述のように、実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０には、中間層（ＬＢ）１６として層厚が１２０ｎｍのアンドープＧａＮ層が設けられている。

　また、電子障壁層１７は、層厚が１０ｎｍで、活性層１５から離れる方向にＡｌ組成が５０％から１５％に低減する組成傾斜を有している。

　また、電子障壁層１７上には、ｐ型半導体層１８として層厚が８３ｎｍのｐ－ＧａＮ層が設けられている。

　実施例１においては、電子障壁層１７には、１．０×１０¹⁸～１．０×１０¹⁹ｃｍ³のドーピング濃度でＭｇがドープされており、ｐ型半導体層１８には、１．０×１０¹⁸ｃｍ³以上のドーピング濃度でＭｇがドープされている。しかしながら、ドーピング濃度は、これに限らず、中間層１６、電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８等のｐ側の半導体層の組成、層厚等に応じて適宜設定することができる。

　実施例１（Ｅｘ.１）において、中間層１６内には定在波ＳＷの節（node）ＮＤと腹（anti-node）ＡＮとがそれぞれ１つずつ存在している。すなわち、節ＮＤの数をＮ_ND、腹ＡＮの数をＮ_ANとすると、Ｎ_ND＝１，Ｎ_AN＝１である。なお、誘電体ＤＢＲ２５による高反射ミラー界面Ａでは、図９に示すように、定在波ＳＷの腹ＡＮの位置になる。

　また、p領域である電子障壁層（ＥＢＬ）１７及びｐ型半導体層（ｐ－ＧａＮ）１８には、定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つずつ存在している（Ｎ_ND＝１，Ｎ_AN＝１）。さらに、透明導電膜（ＩＴＯ）２２内には、定在波ＳＷの節ＮＤが１つ存在している（Ｎ_ND＝１）ことが好ましい。

　このように構成することで、ｐ型半導体層１８から電子障壁層１７への電気的な電界強度が強まる。また、中間層１６内に光の電界強度の高い腹が存在し、かつ少なくとも１つの節が存在することにより、大きな光利得が得られる程度に活性層１５が励起される。

　このことが、多重量子井戸間のキャリア濃度の均一性を促進して、内部損失、外部微分量子効率、スロープ効率の改善がなされる。

　すなわち、複数のウエル層１５Ｗのキャリア（電子及びホール）の均一性が改善され、効率のよい、面発光レーザを実現することができる。

　また、動作電流を低減することができる、素子の信頼性（寿命）が改善された垂直共振器型発光素子を提供することができる。

［素子特性：Ｍｇ濃度の低減効果］
　本実施形態の実施例２の垂直共振器面発光レーザ１０、比較例１及び比較例２の垂直共振器面発光レーザを作製し、素子特性の評価を行った。以下にその評価結果について説明する。

［実施例２］
　図１０は、実施例２の垂直共振器面発光レーザ１０（Ｅｘ.２）、比較例１（Ｃｍｐ.１）及び比較例２（Ｃｍｐ.２）の垂直共振器面発光レーザの素子特性（光出力－電流密度特性）を示すグラフである。

　実施例２（Ｅｘ.２）は、層厚が１０ｎｍで、活性層１５から離れる方向にＡｌ組成が５０％から１５％に低減する組成傾斜を有する電子障壁層１７を有する垂直共振器面発光レーザ１０である（図６Ｂを参照）。

　また、電子障壁層１７へのＭｇのドーピング濃度は０．２５×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、下記の比較例１の１／４の濃度である。

　比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザは、実施例２と同一の層厚（１０ｎｍ）の電子障壁層を有する。比較例１は、Ａｌ組成が一定（Ａｌ組成：３０％）の電子障壁層を有する点で実施例２とは異なっている。また、Ｍｇのドーピング濃度は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

　比較例２（Ｃｍｐ.２）の垂直共振器面発光レーザは、Ｍｇのドーピング濃度が比較例１（Ｃｍｐ.１）の１／２の濃度（０．５×１０¹⁹ｃｍ^-3）である点で比較例１とは異なっている。その他の点は、比較例１の垂直共振器面発光レーザと同一である。

　従来の電子障壁層を有する比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザの光出力特性が破線で示されている。比較例２においては、電子障壁層のＭｇのドーピング濃度は比較例１の１／２に低減されているが、比較例１に比べて光出力が大きく減少することが確認された。

　一方、Ａｌ組成傾斜電子障壁層を有する実施例２（Ｅｘ.２）では、Ｍｇのドーピング濃度を１／４に低減しても比較例１を超える光出力特性が得られ、高い発光効率が得られることが確認された。

　すなわち、実施例２の垂直共振器面発光レーザ１０によれば、Ｍｇのドーピング濃度を大きく低減できるとともに、高い発光効率が得られることが確認された。

　また、Ａｌ組成傾斜を有する電子障壁層１７により、Ｍｇのドーピング濃度の低減を行いつつ、高い注入効率を維持することができる。

　したがって、動作電流を低減することができ、かつ素子の信頼性（寿命）が改善された垂直共振器型発光素子を提供することができる。

［実施例３］
　実施例３（Ｅｘ.３）の垂直共振器面発光レーザ１０においては、中間層１６の層厚は２２０ｎｍであり、実施例１の１２０ｎｍよりも厚い。

　また、ｐ領域の層厚（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８の合計層厚）は１０１ｎｍ（２０＋８１ｎｍ）であり、実施例１の９３ｎｍ（１０＋８３ｎｍ）よりも厚い。

　また、電子障壁層１７は、層厚が２０ｎｍで、活性層１５から離れる方向にＡｌ組成が５０％から１５％に低減する組成傾斜を有している。

　上記以外の構成については実施例２と同様である。

　実施例３においては、中間層１６が厚いことを反映して、中間層１６内には節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ２つずつ存在する（Ｎ_ND＝２，Ｎ_AN＝２）。また、ｐ領域（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）には節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つずつ存在する（Ｎ_ND＝１，Ｎ_AN＝１）。

　したがって、上記した第１及び第２の条件を満たすので、量子井戸活性層の各ウエル層間のキャリア不均一性に伴う面発光レーザの効率低下を解消し、高効率な面発光レーザを提供することができる。

　本実施例のように、第１及び第２の条件を満たすように中間層１６を厚くすることができるので、ドーパント（Ｍｇ等）のマイグレーションによる素子特性及び寿命の劣化を抑制することができる。

　したがって、動作電流を低減することができる、また素子の信頼性（寿命）が改善された垂直共振器型発光素子を提供することができる。

［第２の実施形態］
　図１１は、本発明の第２の実施形態の垂直共振器面発光レーザ５０の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態の垂直共振器面発光レーザ５０は、電流狭窄構造としてトンネル接合を有している。

　垂直共振器面発光レーザ５０は、トンネル接合層３１を有する点を除いては上記した第１の実施形態の垂直共振器面発光レーザ１０と同様の構成を有する窒化物面発光レーザである。

　すなわち、電子障壁層１７は、活性層１５側のＡｌ組成がｐ型半導体層１８側より高くなる組成傾斜を有するとともに、電子障壁層１７内のＭｇ濃度は活性層１５に近づく方向に減少する濃度プロファイルを有している。

　より詳細には、垂直共振器面発光レーザ５０は、基板１１上に、半導体ＤＢＲ１２，ｎ型半導体層１３、多重量子井戸からなる活性層１５、最終バリア層１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７及びｐ型半導体層１８をこの順で順次、結晶成長して形成されている。また、各半導体層の組成、層厚、不純物濃度なども第１の実施形態の垂直共振器面発光レーザ１０と同様である。

　垂直共振器面発光レーザ５０においては、ｐ型半導体層１８上に、ｐ⁺－ＧａＮである高不純物濃度のｐ型半導体層３１Ａ及びｎ⁺－ＧａＮである高不純物濃度のｎ型半導体層３１Ｂからなるトンネル接合層３１が設けられている。

　トンネル接合層３１は、円柱メサ形状を有している。例えば、トンネル接合層３１は、層厚は２０ｎｍを有し、直径は４μｍである（中心軸ＣＸ）。なお、トンネル接合層３１は、ｐ型半導体層３１Ａ及びｎ型半導体層３１Ｂと、ｐ型半導体層１８とを例えば２５ｎｍの深さでエッチングして形成されている。

　また、トンネル接合層３１は、ｎ－ＧａＮであるｎ型半導体層３２（第２のｎ型半導体層）によって埋め込まれている。

　ｎ型半導体層３２上には、ｎ－ＡｌＩｎＮ及びｎ－ＧａＮからなる半導体ＤＢＲ３５（第２のＤＢＲ）が設けられている。半導体ＤＢＲ３５は、例えば、ｎ－ＡｌＩｎＮ／ＧａＮの４６ペアからなる。

　ｎ型半導体層１３の内部に至るように各半導体層及び半導体ＤＢＲ３５の外周部がエッチングされ、トンネル接合層３１の中心軸ＣＸと同軸の円柱状メサ構造の面発光レーザとして形成されている。

　ｎ型半導体層１３の外周部の表面上にｎ電極２７が形成されている。また、上面視（半導体ＤＢＲ３５に垂直な方向から見た場合）において、トンネル接合層３１よりも大きな直径を有し、中心軸ＣＸと同軸の円形状の開口を有するｐ電極３６が半導体ＤＢＲ３５上にされている。

　垂直共振器面発光レーザ５０の裏面には、Ｎｂ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂の２層からなるＡＲ（無反射）コーティング２９が形成されている。

　なお、トンネル接合層３１は、ｐ⁺－ＧａＮ層及びｎ⁺－ＧａＮ層で構成したが、他の組成の半導体層、例えばＧａＩｎＮなどを用いてもよい。ｐ⁺－ＧａＮ層は例えばＭｇを不純物（ドーパント）として用いることができる。また、Ｍｇのドーピング濃度は、４×１０¹⁹ｃｍ³以上が好ましい。ｎ⁺－ＧａＮ層又はｎ⁺－ＧａＩｎＮ層については、１×１０¹⁸ｃｍ³以上の高ドーピングが好ましい。

（実施例１～３との対応関係）
　垂直共振器面発光レーザ５０における第１及び第２の条件は、第１の実施形態の垂直共振器面発光レーザ１０の場合と同様に考えることができる。

　具体的には、実施例４の垂直共振器面発光レーザ５０においては、半導体ＤＢＲ３５とｎ型半導体層３２との界面が位相基準（位相＝０）に対応する。当該基準位置には定在波の腹が位置する。

　また、ｎ型半導体層３２（第２のｎ型半導体層）が上記実施例におけるスペーサ層２４に対応する。より詳細には、トンネル接合層３１と半導体ＤＢＲ３５との間のｎ型半導体層３２の部分が第１の実施形態におけるスペーサ層２４に対応する。

　さらに、トンネル接合層３１が第１の実施形態における透明導電膜（ＩＴＯ）２２に対応し、トンネル接合層３１内に定在波ＳＷの節ＮＤが１つ存在する（Ｎ_ND＝１）ことが好ましい。

　また、ｐ領域である電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８内に含まれる定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮの数の条件（第１の条件）、及び、最終バリア層１６内に含まれる節ＮＤ及び腹ＡＮの数の条件（第２の条件）は、第１の実施形態における条件と同じである。

　第２の実施形態の垂直共振器面発光レーザ５０によれば、不純物（ドーパント）のドーピング濃度の低減を行っても、高い注入効率を維持することができる。したがって、動作電流を低減することができ、また素子の信頼性（寿命）が改善された垂直共振器型発光素子を提供することができる。

　以上、詳細に説明したように、本発明によれば、低閾値電流密度及び高発光効率を有し、かつ寿命が改善された垂直共振器型発光素子を提供することができる。

　１０，５０：垂直共振器面発光レーザ
　１１：基板
　１２：半導体ＤＢＲ（第１の反射ミラー）
　１３：ｎ型半導体層
　１５：活性層
　１５Ｂ：障壁層（バリア層）
　１５Ｗ：量子井戸層（ウエル層）
　１６：中間層（ＬＢ）
　１７：電子障壁層
　１８：ｐ型半導体層
　２１：絶縁膜
　２２：透明導電膜
　２４：スペーサ層
　２５：半導体ＤＢＲ（第２の反射ミラー）
　３１：トンネル接合層
　３１Ａ：高不純物濃度のｐ型半導体層
　３１Ｂ：高不純物濃度のｎ型半導体層
　３２：ｎ型半導体層（第２のｎ型半導体層）
　３５：半導体ＤＢＲ

Claims

　第１の反射ミラーと、
　前記第１の反射ミラー上に形成されたｎ型半導体層と、
　前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、
　前記活性層上に設けられた中間層と、
　前記中間層上に設けられ、Ａｌを組成に含む電子障壁層と、
　前記電子障壁層上に設けられ、不純物がドーピングされたｐ型半導体層と、
　前記ｐ型半導体層上に設けられた第２の反射ミラーと、を備え、
　前記電子障壁層は、前記活性層から離れる方向にＡｌ組成が減少する組成傾斜層であり、
　前記不純物の不純物濃度は、前記電子障壁層内にピークを有し、前記ピークから前記活性層に近づく方向に減少している、III－Ｖ族窒化物半導体の垂直共振器型発光素子。
　前記電子障壁層においてピエゾ分極によりホールが生成され、前記ピエゾ分極により生成されるホール濃度が５．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上である請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
　前記電子障壁層の前記Ａｌ組成の平均組成傾斜は０．９％／ｎｍ以上である請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
　前記不純物濃度は、前記ｐ型半導体層と前記電子障壁層との界面に対応する位置にボトムを有する請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
　前記電子障壁層及び前記中間層の界面における前記不純物の不純物濃度は、１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3未満である請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
　前記電子障壁層及び前記中間層の界面における不純物濃度は、５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3未満である請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
　前記中間層はアンドープ層である請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
　第１の反射ミラーと、
　前記第１の反射ミラー上に設けられたｎ型半導体層と、
　前記ｎ型半導体層上に設けられた多重量子井戸からなる活性層と、
　前記活性層の最終量子井戸上に設けられた中間層と、
　前記中間層上に設けられ、Ａｌを組成に含む電子障壁層と、
　前記電子障壁層上に設けられ、不純物がドーピングされたｐ型半導体層と、
　前記ｐ型半導体層上に設けられたスペーサ層と、
　前記スペーサ層上に設けられた第２の反射ミラーと、を有し、
　前記電子障壁層は、前記活性層から離れる方向にＡｌ組成が減少する組成傾斜層であり、
　前記不純物の不純物濃度は、前記電子障壁層内にピークを有し、前記ピークから前記活性層に近づく方向に減少し、
　前記電子障壁層及び前記ｐ型半導体層中に含まれる、前記活性層からの発光による定在波の腹の数及び節の数がそれぞれ０又は１であり、
　前記中間層及び前記活性層の層厚をそれぞれＨ_fb，Ｈ_qw、前記中間層の屈折率をｎ_fb、前記活性層の等価屈折率をｎ_qwとしたとき、前記活性層及び前記中間層は次式

を満たす垂直共振器型発光素子。
　前記中間層内に含まれる節の数が２以上で腹の数が１以上である請求項８に記載の垂直共振器型発光素子。