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JP7288360B2 - 垂直共振器型発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザなどの垂直共振器型発光素子に関する。
垂直共振器型面発光レーザ（以下、単に面発光レーザと称する）は、基板上に積層された多層膜からなる反射鏡を有し、当該基板の表面に垂直な方向に沿って光を出射する半導体レーザである。例えば、特許文献１には、高次の横モードの発生を抑制するように構成された面発光レーザ素子が開示されている。
特許第5839852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おいては、発光パターンが安定していることが好ましい。このためには、例えば、垂直共振器型発光素子内には、所望の横モードの光を生成できる共振器が構成されていることが好ましい。例えば、面発光レーザは、単峰性の強度分布を有するレーザ光を生成し、当該レーザ光を低い放射角で出射するように構成されていることが好ましい。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、安定した横モードの光を出射することが可能な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、基板と、基板上に形成された第１の多層膜反射鏡と、第１の多層膜反射鏡上に形成され、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成され、第１の導電型とは反対の第２の導電型を有し、上面に凸部を有する第２の半導体層と、第２の半導体層の上面を覆い、かつ凸部の上面上で終端した凸部の上面上に第２の半導体層を露出させる開口部を有する絶縁層と、絶縁層の開口部から露出した第２の半導体層の上面を覆いつつ絶縁層上に形成された透光電極層と、透光電極層上に形成され、第１の多層膜反射鏡と共に共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有することを特徴としている。
実施例１に係る面発光レーザの上面図である。 実施例１に係る面発光レーザの断面図である。 実施例１に係る面発光レーザの拡大断面図である。 実施例１に係る面発光レーザにおけるレーザ媒質内の屈折率の分布を示す図である。 実施例１に係る面発光レーザの拡大断面図である。 実施例１に係る面発光レーザの拡大断面図である。 実施例１の変形例に係る面発光レーザの上面図である。 実施例１の変形例に係る面発光レーザの拡大断面図である。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。また、以下の実施例においては、本発明が面発光レーザ（半導体レーザ）として実施される場合について説明する。しかし、本発明は、面発光レーザに限定されず、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、面発光レーザと称する）の模式的な上面図である。また、図２は、面発光レーザ１０の断面図である。図２は、図１の２－２線に沿った断面図である。図１及び図２を用いて、面発光レーザ１０の構成について説明する。
面発光レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成された第１の多層膜反射鏡（以下、単に第１の反射鏡と称する）１２と、を有する。本実施例においては、第１の反射鏡１２は、第１の半導体膜（以下、高屈折率半導体膜と称する）Ｈ１と高屈折率半導体膜Ｈ１よりも低い屈折率を有する第２の半導体膜（以下、低屈折率半導体膜と称する）Ｌ１とが交互に積層された構造を有する。本実施例においては、第１の反射鏡１２は、半導体材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を構成する。
本実施例においては、基板１１は、ＧａＮの組成を有する。例えば、基板１１は、第１の反射鏡１２の結晶成長に用いられる成長用基板である。また、第１の反射鏡１２における高屈折率半導体膜Ｈ１はＧａＮの組成を有し、低屈折率半導体膜Ｌ１はＡｌＩｎＮの組成を有する。なお、本実施例においては、基板１１と第１の反射鏡１２との間にはＧａＮの組成を有するバッファ層（図示せず）が設けられている。
面発光レーザ１０は、第１の反射鏡１２上に形成され、発光層１３Ａを含む発光構造層１３を有する。本実施例においては、発光構造層１３は、窒化物系半導体からなる複数の半導体層を含む。例えば、発光構造層１３は、第１の反射鏡１２上に形成されたｎ型半導体層（第１の導電型を有する第１の半導体層）１３Ｎと、ｎ型半導体層１３Ｎ上に形成された発光層（活性層）１３Ａと、発光層１３Ａ上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層、第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する半導体層）１３Ｐと、を有する。
本実施例においては、ｎ型半導体層１３Ｎは、ＧａＮの組成を有し、Ｓｉをｎ型不純物として含む。発光層１３Ａは、ＩｎＧａＮの組成を有する井戸層及びＧａＮの組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する。また、ｐ型半導体層１３Ｐは、ＧａＮ系の組成を有し、Ｍｇをｐ型不純物として含む。
なお、発光構造層１３の構成はこれに限定されない。例えば、ｎ型半導体層１３Ｎは、互いに組成が異なる複数のｎ型の半導体層を有していてもよい。また、発光層１３Ａは、単一量子井戸構造を有していてもよいし、単層構造を有していてもよい。
また、ｐ型半導体層１３Ｐは、互いに組成が異なる複数のｐ型の半導体層を有していてもよい。例えば、ｐ型半導体層１３Ｐは、電極とのオーミックコンタクトを形成するためのコンタクト層（図示せず）を有していてもよい。この場合、例えば、ｐ型半導体層１３Ｐは、当該コンタクト層と発光層１３Ａとの間に、クラッド層としてのＧａＮ層を有していればよい。
また、発光層１３は、例えば、発光層１３Ａとｐ型半導体層１３Ｐとの間に、発光層１３Ａに注入された電子のｐ型半導体層１３Ｐへのオーバーフローを防止する電子ブロック層（図示せず）を有していてもよい。例えば、当該電子ブロック層は、ＡｌＧａＮの組成を有していてもよい。また、当該電子ブロック層は、不純物を含んでいてもよく、例えばｐ型の不純物を有し、ｐ型の導電型を有していてもよい。
ｐ型半導体層１３Ｐは、上面において環状に設けられた凹部１３ＰＡを有する。図１に示すように、本実施例においては、凹部１３ＰＡは、円環状に形成されている。本実施例においては、ｐ型半導体層１３Ｐは、凹部１３ＰＡの領域において、他の領域よりも小さな層厚を有する。
例えば、凹部１３ＰＡは、発光構造層１３となるＧａＮ層を基板１１上に成長した後、その表面に円環状のマスクを形成し、当該マスクの上からエッチングを行うことで、形成することができる。
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１３Ｐの上面に環状の凹部１３ＰＡが形成されていることで、凹部１３ＰＡの内側には、凹部１３ＰＡを基準として相対的に突出した凸部１３ＰＢが形成されている。ｐ型半導体層１３Ｐは、凸部１３ＰＢの領域において、凹部１３ＰＡの領域よりも大きな層厚を有する。換言すれば、ｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢは、凹部１３ＰＡの内側端部によって画定された部分である。
面発光レーザ１０は、ｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢの一部を露出させつつｐ型半導体層１３Ｐの上面上に形成された絶縁層１４を有する。本実施例においては、絶縁層１４は、凸部１３ＰＢ（凹部１３ＰＡ）と同軸であり、凸部１３ＰＢの外径よりも小さな直径の開口部１４Ａを有する。例えば、本実施例においては、絶縁層１４の開口部１４Ａは、ｐ型半導体層１３Ｐに向かって窄まるような円錐状の側面形状を有する。
ｐ型半導体層１３Ｐの上面は、絶縁層１４の開口部１４Ａにおいては絶縁層１４に覆われていない。従って、本実施例においては、ｐ型半導体層１３Ｐにおける凸部１３ＰＢの上面の外周部は、絶縁層１４によって覆われている。一方、ｐ型半導体層１３Ｐにおける凸部１３ＰＢの上面の中央部は、絶縁層１４から露出している。
なお、本実施例においては、発光構造層１３は、ｎ型半導体層１３Ｎの上面が露出するまでｐ型半導体層１３Ｐ及び発光層１３Ａとｎ型半導体層１３Ｎの一部とが除去された部分を有する。絶縁層１４は、ｎ型半導体層１３Ｎにおける当該除去されることで露出した部分と、発光層１３Ａ及びｐ型半導体層１３Ｐにおける当該除去されることで露出した側面と、を覆うように形成されている。
絶縁層１４は、発光層１３Ａから放出された光に対して透光性を有し、ｐ型半導体層１３Ｐよりも低い屈折率を有する。例えば、絶縁層１４は、ＳｉＯ2など、透光性の酸化物層からなる。
面発光レーザ１０は、開口部１４から露出したｐ型半導体層１３Ｐの上面を覆いつつ絶縁層１４上に形成された透光電極層１５を有する。透光電極層１５は、発光層１３Ａから放出された光に対して透光性を有し、かつ導電性を有する。透光電極層１５は、開口部１４Ａを介してｐ型半導体層１３Ｐ（発光構造層１３）に電気的に接続されている。本実施例においては、透光電極層１５は、絶縁層１４の上面及びｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢの上面に接している。例えば、透光電極層１５は、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる。
ｐ型半導体層１３Ｐの上面における絶縁層１４に覆われた領域は、開口部１４Ａから露出した領域に比べて高い電気抵抗を有する領域となる。透光電極層１５に印加された電流は、絶縁層１４の開口部１４Ａを介して透光電極層１５とｐ型半導体層１３Ｐとが接する領域から、発光構造層１３内に注入される。
すなわち、絶縁層１４は、発光構造層１３に対して注入される電流を制限する（狭窄する）機能を有する。また、絶縁層１４の開口部１４Ａは、発光構造層１３への電流を注入する領域（電流路）を形成する。
面発光レーザ１０は、透光電極層１５上に形成された第２の多層膜反射鏡（以下、単に第２の反射鏡と称する）１６を有する。第２の反射鏡１６は、発光構造層１３を挟んで第１の反射膜１２に対向して配置されている。第２の反射鏡１６は、第１の反射鏡１２と共に、発光構造層１３に垂直な方向（基板１１に垂直な方向）を共振器長方向とする共振器１０Ｒを構成する。
本実施例においては、第２の反射鏡１６は、第１の誘電体膜（以下、高屈折率誘電体膜と称する）Ｈ２と高屈折率誘電体膜Ｈ２よりも低い屈折率を有する第２の誘電体膜（以下、低屈折率誘電体膜と称する）Ｌ２とが交互に積層された構造を有する。
本実施例においては、第２の反射鏡１６は、誘電体材料からなる分布ブラッグ反射器を構成する。例えば、本実施例においては、高屈折率誘電体膜Ｈ２はＮｂ2Ｏ5層からなり、低屈折率誘電体膜Ｌ２はＳｉＯ2層からなる。また、本実施例においては、第２の反射鏡１６は、円柱状の形状を有する。従って、本実施例においては、面発光レーザ１０は、円柱状の共振器１０Ｒを有する。
面発光レーザ１０は、発光構造層１３に電流を印加する第１及び第２の電極１７及び１８を有する。本実施例においては、絶縁層１４は、ｎ型半導体層１３Ｎの発光層１３Ａ及びｐ型半導体層１３Ｐが除去された上面上に開口部を有する。第１の電極１７は、ｎ型半導体層１３Ｎにおける絶縁層１４の当該開口部から露出した上面上に形成されている。また、第２の電極１８は、絶縁層１４及び透光電極層１５上に形成されている。
第１及び第２の電極１７及び１８間に電圧が印加されると、発光構造層１３の発光層１３Ａから光が放出される。発光層１３Ａから放出された光は、第１及び第２の反射鏡１２及び１６間において反射を繰り返し、共振状態に至る（レーザ発振を行う）。
また、本実施例においては、第１の反射鏡１２は、第２の反射鏡１６よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１及び第２の反射鏡１２及び１６間で共振した光は、その一部が第１の反射鏡１２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に及び発光構造層１３に垂直な方向に光を出射する。
なお、絶縁層１４の開口部１４Ａは、発光構造層１３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１０Ｒの中心軸（以下、発光中心軸と称する）ＡＸを画定する。共振器１０Ｒの中心軸ＡＸは、ｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢの中心を通り、ｐ型半導体層１３Ｐ（発光構造層１３）に垂直な方向に沿って延びる。
なお、発光層１３Ａの発光領域とは、例えば、発光層１３Ａ内における所定の強度以上の光が放出される所定の幅の領域であり、その中心が発光中心である。また、例えば、発光層１３Ａの発光領域とは、発光層１３Ａ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に垂直な直線が発光中心軸ＡＸである。発光中心軸ＡＸは、第１及び第２の反射鏡１２及び１６によって構成される共振器１０Ｒの共振器長方向に沿って延びる直線である。また、発光中心軸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の反射鏡１２は、４０～５０ペアのＧａＮ層及びＡｌＩｎＮ層からなる。第２の反射鏡１６は、５～１５ペアのＳｉＯ2層及びＮｂ2Ｏ3層からなる。第１及び第２の反射鏡１２及び１６内の各膜は、発光層１３Ａから放出された光の波長の１／４の光学的膜厚を有する。
なお、本実施例においては、第２の反射鏡１６における最も透光電極層１５側の高屈折率誘電体膜１６Ｈは、共振器１０Ｒ内の共振光の波長（位相）を調整するための層として形成されており、例えば他の高屈折率誘電体膜１６Ｈよりも小さな層厚を有する。また、当該最下層の高屈折率誘電体膜１６Ｈを除いた各誘電体膜が反射鏡として機能する部分である。
また、ｎ型半導体層１３Ｎは、５００～２０００ｎｍの層厚を有する。発光層１３Ａは、２～５ペアのＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層からなり、全体として２０～５０ｎｍの層厚を有する。本実施例においては、発光層１３Ａからは、青色の波長領域の光、例えば４１０～４７０ｎｍ程度の波長の光が放出される。ｐ型半導体層１３Ｐは、４０～９０ｎｍの層厚を有する。
また、ｐ型半導体層１３Ｐの凹部１３ＰＡは、１０～３０ｎｍの深さを有し、例えば２０ｎｍの深さを有する。また、ｐ型半導体層１３Ｐの凹部１３ＰＡは、１５～２０μｍの外径及び５～１０μｍの内径を有する。すなわち、ｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢは、５～１０μｍの外径を有する。
また、絶縁層１４は、１０～３０ｎｍの層厚を有し、例えば２０ｎｍの層厚を有する。また、絶縁層１４の開口部１４Ａは、４～８μｍの外径を有する。また、透光電極層１５は、１０～３０ｎｍの層厚を有し、例えば２０ｎｍの層厚を有する。
図３は、発光構造層１３の近傍の拡大断面図である。図３は、図２における二点鎖線で囲まれた部分を拡大して示す図である。また、図４は、共振器１０Ｒ内の領域の実効屈折率の分布を示す図である。図３及び図４を用いて、共振器１０Ｒの内部における光学的特性について説明する。
本実施例においては、発光構造層１３は、ｐ型半導体層１３Ｐの上面に環状の凹部１３ＰＡを有する。また、絶縁層１４は、ｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢの中央部分に設けられた開口部１４Ａの領域を除き、凹部１３ＰＡを含むｐ型半導体層１３Ｐの上面上に形成されている。
従って、絶縁層１４は、ｐ型半導体層１３Ｐの凹部１３ＰＡの底部上に形成された第１の部分１４Ｂと、凸部１３ＰＢの上面１３ＰＴの外周部上に乗り上げるように形成された第２の部分１４Ｃと、を有する。絶縁層１４の開口部１４Ａは、凸部１３ＰＢの上面１３ＰＴ上に形成されている。また、透光電極層１５は、絶縁層１４の開口部１４Ａから露出したｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢの上面１３ＰＴの領域上、並びに絶縁層１４の第１及び第２の部分１４Ｂ及び１４Ｃ上に形成されている。
従って、図３に示すように、本実施例においては、第１及び第２の反射鏡１２及び１６間には、ｎ型半導体層１３Ｎから発光層１３Ａ及びｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢを経て透光電極層１５が積層された全体として円柱状の領域（以下、中心領域と称する）Ｒ１が形成される。コア領域Ｒ１は、共振器１０Ｒ内において共振光となる定在波を生成するレーザ媒質として機能する領域である。
また、本実施例においては、第１及び第２の反射鏡１２及び１６間には、コア領域Ｒ１の側部を環状に取り囲み、ｎ型半導体層１３Ｎから発光層１３Ａ及びｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢを経て絶縁層１４及び透光電極層１５が積層された全体として円筒状の領域（以下、内側環状領域と称する）Ｒ２が形成される。内側環状領域Ｒ２は、中心領域Ｒ１と共に、共振器１０Ｒ内の定在波が導波されるコア領域として機能する。
また、本実施例においては、第１及び第２の反射鏡１２及び１６間には、内側環状領域Ｒ２の側部を環状に取り囲み、ｎ型半導体層１３Ｎから発光層１３Ａ及びｐ型半導体層１３Ｐの凹部１３ＰＡを経て絶縁層１４及び透光電極層１５が積層された全体として円筒状の領域（以下、外側環状領域と称する）Ｒ３が形成される。外側環状領域Ｒ３は、共振器１０Ｒ内の定在波を中心領域Ｒ１及び内側環状領域Ｒ２内に閉じ込めるクラッド領域として機能する。
より具体的には、本実施例においては、絶縁層１４は、ｐ型半導体層１３Ｐよりも低い屈折率を有する。また、ｎ型半導体層１３Ｎ、発光層１３Ａ及び透光電極層１５は、中心領域Ｒ１、内側環状領域Ｒ２及び外側環状領域Ｒ３に亘って同一の層厚を有する。
従って、本実施例においては、図４に示すように、中心領域Ｒ１の実効屈折率（各層の屈折率及び層厚を考慮した全体としての等価的な屈折率）は、内側環状領域Ｒ２の実効屈折率よりも低い。一方、外側環状領域Ｒ３の実効屈折率は、中心領域Ｒ１及び内側環状領域Ｒ２の実効屈折率よりも低い。
これによって、中心領域Ｒ１において生成されたレーザ光は、部分的に内側環状領域Ｒ２に導波（進入）しつつ、中心領域Ｒ１及び内側環状領域Ｒ２内に閉じ込められる。また、内側環状領域Ｒ２内に導波したレーザ光は、導波損失（伝送損失）によって減衰する。
すなわち、中心領域Ｒ１の外周部にこれよりも実効屈折率が高い内側環状領域Ｒ２が設けられることで、中心領域Ｒ１及び外側環状領域Ｒ３との界面に導波損失が生ずる部分が設けられている。これによって、共振器１０Ｒ内の高次の横モードの発生が大幅に抑制される。
具体的には、高次の横モードは、レーザ発振領域（本実施例においては中心領域Ｒ１）の外周部で発生することが多い。これに対し、本実施例においては、中心領域Ｒ１の外周部に意図的な導波損失を生じさせる領域としての内側環状領域Ｒ２が設けられている。従って、中心領域Ｒ１の外周部では光強度が低下し、レーザ発振が起きにくくなる。これにより、中心領域Ｒ１の外周部での高次の横モードの発生が確実に抑制され、例えば単一横モードのレーザ光を出射することができる。
なお、例えば、中心領域Ｒ１の幅は、絶縁層１４の開口部１４Ａの開口径に対応し、例えば約５～１０μｍであり、例えば７．５μｍである。また、例えば、内側環状領域Ｒ２の幅（リング幅）は、０．５～２μｍであり、例えば０．５μｍである。
図５は、図３と同様の断面図である。図５を用いて、第２の反射鏡１６の構成について説明する。上記したように、ｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢ上には、絶縁層１４が形成されていない中心領域Ｒ１と、絶縁層１４が形成された内側環状領域Ｒ２とが形成される。このｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢ及び絶縁層１４を覆うように透光絶縁層１５を形成することで、第２の反射鏡１６には絶縁層１４の形状を引き継ぐような段差が形成される。
具体的には、第２の反射鏡１６は、絶縁層１４の開口部１４上の領域（中心領域Ｒ１）の中央部分上において高屈折率誘電体膜１６Ｈ及び低屈折率誘電体膜１６Ｌが平坦に（透光電極層１５に平行に）形成されつつ積層された領域（以下、平坦領域と称する）１６Ｆと、中心領域Ｒ１の外周部上において高屈折率誘電体膜１６Ｈ及び低屈折率誘電体膜１６Ｌが傾斜しつつ積層された領域（以下、傾斜領域と称する）１６Ｓと、を有する。
換言すれば、第２の反射鏡１６は、絶縁層１４の開口部１４Ａの内側の領域上に形成され、開口部１４Ａの側面形状に起因して多層膜が傾斜しつつ積層された傾斜領域１６Ｓを有する。この第２の反射鏡１６の傾斜領域１６Ｓは、平坦領域１６Ｆよりも反射率が低い領域である。従って、第２の反射鏡１６の傾斜領域１６Ｓに入射した光は、ミラー損失（反射損失）によって減衰する。従って、傾斜領域１６Ｓに対応する中心領域Ｒ１の領域においては、光強度が低下し、レーザ発振が起きにくくなる。
換言すれば、共振器１０Ｒ内におけるレーザ発振を行う領域である中心領域Ｒ１の近傍には、導波損失を生じさせる領域として内側環状領域Ｒ２（図３参照）が設けられ、ミラー損失を生じさせる領域として傾斜領域１６Ｓが設けられている。この２つの損失領域を設けることで、高次の横モードの発生が確実に抑制される。
特に、面発光レーザ１０などのような垂直共振器型の発光素子は、高出力化を図るために大電流駆動を行うと、横モードが不安定になり、高次の横モードが発生しやすくなる。本実施例においては、この２つの損失領域を近接して設けることで高出力化と横モードの安定化とを両立することができる。
また、本実施例においては、絶縁層１４の開口部１４Ａは、ｐ型半導体層１３Ｐ（発光構造層１３）に向かって窄まる側面形状を有する。従って、この絶縁層１４上に透光電極層１５及び第２の反射鏡１６（高屈折率誘電体膜１６Ｈ及び低屈折率誘電体膜１６Ｌ）を積層することで、これらの層に生ずる段差は、絶縁層１４の開口部１４Ａのわずかに内側に寄った位置に形成される。
換言すれば、発光中心軸ＡＸに沿って中心領域Ｒ１を見たとき、第２の反射鏡１６の傾斜領域１６Ｓは、中心領域Ｒ１の外周部の内側に形成される。これによって、傾斜領域１６Ｓが中心領域Ｒ１内で生成された定在波に対して確実にミラー損失を与えることができる。
例えば、仮に、傾斜領域１６Ｓが中心領域Ｒ１の外側、例えば内側環状領域Ｒ２又は外側環状領域Ｒ３上に形成された場合、中心領域Ｒ１に存在する定在波に対してほとんど損失を与えることができない場合がある。また、例えば、傾斜領域１６Ｓとなる高屈折率誘電体膜１６Ｈ及び低屈折率誘電体膜１６Ｌの段差の位置が部分的に中心領域Ｒ１上の領域から外れた場合でも、所望のミラー損失を与えられない場合がある。
これに対し、本実施例においては、絶縁層１４の開口部１４Ａが上記したテーパ状の開口形状を有することで、確実にミラー損失を生じさせる位置に第２の反射鏡１６の傾斜領域１６Ｓを設けることができる。例えば、傾斜領域１６Ｓは、中央領域Ｒ１上の領域の外周部の０．２５～１．０μｍの幅の領域であり、例えば７．５μｍの中央領域Ｒ１の外周部における０．２５μｍの幅の領域である。
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１３の凹部１３ＰＡの内側の側面によって形成される凸部１３ＰＢは、透光電極層１５に向かって先細る形状を有する。絶縁層１４及び透光電極層１５は、この側面形状の凸部１３ＰＢ上に形成される。これによって、透光電極層１５が断裂することなく安定して形成され、面発光レーザ１０の電気的特性が安定する。
具体的には、透光電極層１５は、共振器１０Ｒ内の定在波の一部を吸収する特性を有する場合がある。従って、透光電極層１５は、電気的特性を確保できる限り、薄い方が好ましい。一方、本実施例においては、凹部１３ＰＡ及び凸部１３ＰＢに加え、絶縁層１４の開口部１４Ａの全体に形成されるため、これらの凹凸に起因する段差を有する。従って、例えば大電流駆動を行った場合にも安定した電気的特性を示すためには、断線などを防止するために、ある程度の層厚で形成される必要がある。
これに対し、凹部１３ＰＡ及び凸部１３ＰＢがこのような側面形状で形成され、絶縁層１４がこの凹部１３ＰＡ及び凸部１３ＰＢ上に形成されることで、透光電極層１５に形成される段差部分の傾斜が緩やかになる。従って、透光電極層１５を薄くした場合でも、電気的特性が安定する。
このように、例えば、絶縁層１４の開口部１４Ａは、ｐ型半導体層１３Ｐに向かって窄まる側面形状を有していることが好ましい。また、ｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢは、透光電極層１５に向かって先細る形状を有することが好ましい。
図６は、図３及び図４と同様の断面図である。図６を用いて、ｐ型半導体層１３Ｐにおける凹部１３ＰＡの深さである凸部１３ＰＢの高さＨ１と、凹部１３ＰＡ内の絶縁層１４の層厚Ｔ１について説明する。
本実施例においては、絶縁層１４は、ｐ型半導体層１３Ｐを含む発光構造層１３よりも低い屈折率を有する。また、この場合、凸部１３ＰＢの高さＨ１は、絶縁層１４の層厚Ｔ１以上であることが好ましい。
仮に、凸部１３ＰＢの高さＨ１が絶縁層１４の層厚Ｔ１未満である場合、例えば絶縁層１４が比較的厚い場合、外側環状領域Ｒ３の実効屈折率が中心領域Ｒ１の実効屈折率よりも高くなる場合がある。この場合、図４に示した実効屈折率の関係を満たさなくなり、外側環状領域Ｒ２による横方向の光閉じ込め作用が生じなくなる場合がある。従って、レーザ発振自体が困難になる場合があるからである。
例えば、本実施例においては、ｐ型半導体層１３ＰであるＧａＮの凸部１３ＰＢの高さＨ１は２０ｎｍであり、絶縁層１４であるＳｉＯ2の層厚Ｔ１はこれと同一の２０ｎｍである。また、透光電極層１５であるＩＴＯの層厚は２０ｎｍである。この場合、確実に図４に示す実効屈折率の分布を形成することができる。
例えば、共振器１０Ｒ内の定在波の波長を４４５ｎｍとし、波長調整層としての最下層の高屈折率誘電体膜１６Ｈ１であるＮｂ2Ｏ5の屈折率を２．４８４とし、透光電極層１５であるＩＴＯの屈折率を２．１４４とし、絶縁層１４であるＳｉＯ2の屈折率１．４６６とし、発光構造層１３であるＧａＮの屈折率を２．５４とし、共振器１０Ｒの共振器長を当該定在波の波長の５倍分（５λ共振器）とした場合、中心領域Ｒ１の実効屈折率は２．５２であり、内側環状領域Ｒ２の実効屈折率は２．５５であり、外側環状領域Ｒ３の実効屈折率は２．５０である。
なお、本実施例においては、ｐ型半導体層１３Ｐの表面に凹部１３ＰＡを形成する場合について説明した。しかし、凹部１３ＰＡ（及び凸部１３ＰＢ）は、発光構造層１３に形成されていればよい。
また、本実施例においては、第１の反射鏡１２が半導体ＤＢＲであり、第２の反射鏡１６が誘電体ＤＢＲである場合について説明した。しかし、第１及び第２の反射鏡１２及び１６の構成はこれに限定されない。例えば、第１及び第２の反射鏡１２及び１６の両方が半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲであってもよいし、第１の反射鏡１２が誘電体ＤＢＲでありかつ第２の反射鏡１６が半導体ＤＢＲであってもよい。第１及び第２の反射鏡１２及び１６は、共振器１０Ｒを構成する種々の反射鏡であればよい。
また、本実施例においては、絶縁層１４が発光構造層１３の側面の一部を覆うように形成されている場合について説明した。しかし、絶縁層１４の構成はこれに限定されない。例えば、絶縁層１４は、ｐ型半導体層１３Ｐの上面上に形成されていればよい。すなわち、絶縁層１４は、ｐ型半導体層１３Ｐの上面を覆い、かつｐ型半導体層１３Ｐの凸部１３ＰＢの上面１３ＰＴ上で終端することで凸部１３ＰＢの上面１３ＰＴ上にｐ型半導体層１３Ｐを露出させる開口部１４Ａを有していればよい。
また、本実施例においては、発光構造層１３が第１の反射鏡１２側にｎ型半導体層１３Ｎを有し、絶縁層１４側にｐ型半導体層１３Ｐを有する場合について説明した。しかし、発光構造層１３は、第１の反射鏡１２上に、ｐ型半導体層１３Ｐ、発光層１３Ａ及びｎ型半導体層１３Ｎがこの順で積層された構造を有していてもよい。この場合、凹部１３ＰＡ及び凸部１３ＰＢは、ｐ型半導体層１３Ｐに設けられていなくてもよく、例えば、ｎ型半導体層１３Ｎの上面上に設けられていればよい。
このように、本実施例においては、面発光レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に第１の反射鏡１２と、第１の反射鏡１２上に形成されたｎ型半導体層１３Ｎ（第１の半導体層）と、ｎ型半導体層１３Ｎ上に形成された発光層１３Ａと、発光層１３Ａ上に形成され、上面に環状の凹部１３ＰＡを有し、かつ凹部１３ＰＡの内側端部によって画定された凸部１３ＰＢを有するｐ型半導体層１３Ｐ（第１の半導体層とは反対の導電型を有する半導体層）と、を有する。
また、面発光レーザ１０は、ｐ型半導体層１３Ｐの上面を覆い、かつ凹部１３ＰＡを経て凸部１３ＰＢの上面１３ＰＴ上で終端して凸部１３ＰＢの上面１３ＰＴ上にｐ型半導体層１３Ｐを露出させる開口部１４Ａを有する絶縁層１４と、開口部１４Ａから露出したｐ型半導体層１３Ｐの上面を覆いつつ絶縁層１４上に形成された透光電極層１５と、透光電極層１５上に形成され、第１の反射鏡１２と共に共振器１０Ｒを構成する第２の反射鏡１６と、を有する。従って、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ１０を提供することができる。
なお、本実施例においては、ｐ型半導体層１３Ｐ（発光構造層１３）の表面に環状の凹部１３ＰＡを形成することで相対的に凹部１３ＰＡから突出する凸部１３ＰＢが形成される場合について説明した。しかし、発光構造層１３の上面形状はこれに限定されない。例えば、発光構造層１３は、周囲の領域から突出した凸部１３ＰＢを有していればよい。
図７は、実施例１の変形例に係る面発光レーザ２０の上面図である。また、図８は、面発光レーザ２０の断面図であり、図７の８－８線に沿った断面図である。図７及び図８を用いて、面発光レーザ２０の構成について説明する。
面発光レーザ２０は、発光構造層２１の構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。本変形例においては、発光構造層２１は、ｐ型半導体層２１Ｐの構成を除いては、発光構造層１３と同様の構成を有する。
具体的には、本変形例においては、ｐ型半導体層２１は、一様に平坦な上面２１ＰＡ及び上面２１ＰＡから突出した凸部２１ＰＢを有する。例えば、ｐ型半導体層２１は、凸部２１ＰＢの領域以外のｐ型半導体層２１の表面全体を所定の厚さだけ除去することで、形成することができる。
なお、例えば半導体の表面を部分的に除去することで凸部１３ＰＢ（ｐ型半導体層１３Ｐ）又は２１ＰＢ（ｐ型半導体層２１Ｐ）を形成することを考慮すると、ｐ型半導体層１３Ｐのように、環状の凹部１３ＰＡを設ける方が半導体の除去量が少なくすむため、製造上のメリットが大きい。
また、ｐ型半導体層２１上には、ｐ型半導体層２１の上面２１ＰＡ及び凸部２１ＰＢの上面２１ＰＴの外周部上に形成され、凸部２１ＰＢの上面２１ＰＴ上に開口部２２Ａを有する絶縁層２２が形成されている。また、絶縁層２２上には、開口部２２Ａを埋め込みつつ形成された透光電極層２３が形成されている。また透光電極層２３上には第２の反射鏡２４が形成されている。
絶縁層２２は、絶縁層１４と同様の材料からなり、例えばＳｉＯ2からなる。また、絶縁層２２は、ｐ型半導体層２１の上面２１ＰＡ上に形成された第１の部分２２Ｂと、凸部２１ＰＢの上面２１ＰＴ上に形成された第２の部分２２Ｃと、を有する。
また、透光電極層２３は、透光電極層１５と同様の材料からなり、例えばＩＴＯからなる。また、第２の反射鏡２４は、第２の反射鏡１６の高屈折率誘電体膜１６Ｈ及び低屈折率誘電体膜１６Ｌとそれぞれ同様の材料からなる高屈折率誘電体膜２４Ｈ及び低屈折率誘電体膜２４Ｌを有する。例えば、高屈折率誘電体膜２４ＨはＮｂ2Ｏ5からなり、低屈折率誘電体膜２４ＬはＳｉＯ2からなる。
本変形例においても、発光構造層２１が周囲の領域から突出した凸部２１ＰＢの外周部に乗り上げるように絶縁層２２が設けられている。これによって、第１及び第２の反射鏡１２及び２４間には、絶縁層２２の開口部２２Ａの領域に対応する中心領域Ｒ１と、中心領域Ｒ１を取り囲む内側環状領域Ｒ２及び外側環状領域Ｒ３が形成される。また、第２の反射鏡２４における中心領域Ｒ１上の領域には、絶縁層２２の段差に起因する傾斜領域２４Ｓが形成される。
従って、内側環状領域Ｒ２は導波損失を与える領域となり、傾斜領域２４Ｓはミラー損失を与える領域となる。従って、高次の横モードの発生が効果的に抑制され、例えば大電流駆動を行っても横モードを安定させることができる。
このように、本変形例においては、面発光レーザ２０は、基板１１と、基板１１上に第１の反射鏡１２と、第１の反射鏡１２上に形成されたｎ型半導体層１３Ｎ（第１の半導体層）と、ｎ型半導体層１３Ｎ上に形成された発光層１３Ａと、発光層１３Ａ上に形成され、上面２１ＰＡに凸部２１ＰＢを有するｐ型半導体層２１Ｐ（第１の半導体層とは反対の導電型を有する半導体層）と、を有する。
また、面発光レーザ２０は、ｐ型半導体層２１Ｐの上面２１ＰＡを覆い、かつ凸部２１ＰＢの上面２１ＰＴ上で終端した凸部２１ＰＢの上面２１ＰＴ上にｐ型半導体層２１Ｐを露出させる開口部２２Ａを有する絶縁層２２と、開口部２２Ａから露出したｐ型半導体層２１Ｐの上面を覆いつつ絶縁層２２上に形成された透光電極層２３と、透光電極層２３上に形成され、第１の反射鏡１２と共に共振器２０Ｒを構成する第２の反射鏡２４と、を有する。従って、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ２０（垂直共振器型発光素子）を提供することができる。
１０、２０ 面発光レーザ（垂直共振器型発光素子）
１３、２１ 発光構造層
１３ＰＢ、２１ＰＢ 凸部
１４、２２ 絶縁層
１５、２３ 透光電極層

Claims (5)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された第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、第１の導電型を有する第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層上に形成された発光層と、
    前記発光層上に形成され、前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有し、上面に凸部を有する第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層の前記上面を覆い、かつ前記第２の半導体層の前記凸部の上面上で終端した前記凸部の前記上面上に前記第２の半導体層を露出させる開口部を有する絶縁層と、
    前記絶縁層の前記開口部から露出した前記第２の半導体層の上面を覆いつつ前記絶縁層上に形成された透光電極層と、
    前記透光電極層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡と共に共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有し、
    前記第２の半導体層は、前記上面に環状の凹部を有し、
    前記第２の半導体層の前記凸部は、前記凹部の内側端部によって画定された部分であることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  2. 前記絶縁層は、前記第２の半導体層よりも低い屈折率を有し、
    前記第２の半導体層の前記凸部の高さは、前記絶縁層の層厚以上であ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. 前記絶縁層の前記開口部は、前記第２の半導体層に向かって窄まる側面形状を有し、
    前記第２の多層膜反射鏡は、前記絶縁層の前記開口部の内側の領域上に形成され、前記開口部の側面形状に起因して多層膜が傾斜しつつ積層された傾斜領域を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
  4. 前記第２の半導体層の前記凸部は、前記透光電極層に向かって先細る形状を有す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の半導体層、前記発光層及び前記第２の半導体層の各々は、窒化物系半導体からなり、
    前記絶縁層は、ＳｉＯ２からなり、
    前記第１の多層膜反射鏡は、半導体材料からなる分布ブラッグ反射器であり、
    前記第２の多層膜反射鏡は、誘電体材料からなる分布ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
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