(57)【要約】【課題】  十分な発光強度を得ることが可能な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイを得る。【解決手段】  この発明に従った単位素子１は、ｎ−ＧａＮ基板１３と、ｎ−ＧａＮ基板１３上に形成された、１つまたは２つのエピタキシャル多層膜層としての分布型ブラッグ反射膜（ＤＢＲ１７）とを備える。ＤＢＲ１７は、ＡｌXＧａYＩｎ1−X−YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）という組成の材料を主成分とする一方層と、ＡｌＺＧａＷＩｎ1−Z−WＮ（０≦Ｚ≦１、０≦Ｗ≦１、０≦Ｚ＋Ｗ≦１）という組成の材料を主成分とし、一方層とは異なる組成である他方層とを含む。ＤＢＲ１７の１つの厚みＴは３μｍ以上６μｍ以下である。【選択図】        図３
2006121010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウムからなる基板と、
前記基板上に形成された、１つまたは２つのエピタキシャル多層膜層とを備え、
前記エピタキシャル多層膜層は、
ＡｌXＧａYＩｎ1−X−YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）という組成の材料を主成分とする一方層と、
ＡｌＺＧａＷＩｎ1−Z−WＮ（０≦Ｚ≦１、０≦Ｗ≦１、０≦Ｚ＋Ｗ≦１）という組成の材料を主成分とし、前記一方層とは異なる組成である他方層とを含み、
前記エピタキシャル多層膜層の１つの厚みは３μｍ以上６μｍ以下である、面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記エピタキシャル多層膜層は分布型ブラッグ反射膜である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記エピタキシャル多層膜層は、３８０ｎｍ以上５２０ｎｍ以下という範囲の波長領域のうちの所定の波長領域における光についての反射率が９８％以上である、請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記基板はｎ型の導電性を有し、
前記基板において前記エピタキシャル多層膜層が形成された表面側と反対側に位置する裏面上に形成された、電流を注入するためのｎ型の電極をさらに備え、
前記基板の前記表面側における面発光レーザ素子の表面積に対する、前記基板の前記表面側において発光する領域の面積の割合が１０％超えである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子を複数個集積することにより形成される面発光レーザアレイであって、
共通する前記基板上に、前記複数個の面発光レーザ素子を構成する前記エピタキシャル多層膜層を形成した状態で、前記複数個の面発光レーザ素子は集積され、
前記複数個の面発光レーザ素子からの合計の発光強度が１０ｍＷを超える、面発光レーザアレイ。
【請求項６】
窒化ガリウムからなる基板と、
前記基板上に形成された活性層と、
前記活性層から出射したレーザ光の光路上に位置し、前記基板上に形成されたｐ型のコンタクト層と、
前記コンタクト層上に接触するように形成されたオーミック接合層と、
前記オーミック接合層上に接触するように形成された透明性電極とを備え、
前記コンタクト層は、ＩｎXＧａ1‐XＮ（０≦Ｘ≦１）という組成の材料を主成分とする、面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記活性層上に形成されたｐ型のクラッド層を備え、
前記コンタクト層は前記クラッド層上に形成されている、請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記透明性電極は、インジウムとスズとの混晶酸化物およびインジウムと亜鉛との混晶酸化物のいずれか一方を含む、請求項６または請求項７に記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記オーミック接合層は、前記コンタクト層におけるキャリア濃度より高い濃度でｎ型のキャリアがドープされたｎ＋＋窒化ガリウム層を含む、前記コンタクト層とのトンネル接合ダイオード構造である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】
前記オーミック接合層は、前記コンタクト層を構成する材料からなる第１の層と、前記透明性電極を構成する材料からなる第２の層とを交互に積層した超格子構造である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１１】
前記オーミック接合層は、金、白金、パラジウム、ニッケルからなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属薄膜構造であり、
前記オーミック接合層の厚みは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１２】
前記基板はｎ型の導電性を有し、
前記基板において前記オーミック接合層が形成された表面側と反対側に位置する裏面上に形成された、電流を注入するためのｎ型の電極をさらに備え、
前記基板の前記表面側における面発光レーザ素子の表面積に対する、前記基板の前記表面側において発光する領域の面積の割合が１０％超えである、請求項６〜１１のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１３】
請求項６〜１２のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子を複数個集積することにより形成される面発光レーザアレイであって、
共通する前記基板上に、前記複数個の面発光レーザ素子を構成する前記オーミック接合層を形成した状態で、前記複数個の面発光レーザ素子は集積され、
前記複数個の面発光レーザ素子からの合計の発光強度が１０ｍＷを超える、面発光レーザアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、面発光レーザ素子および面発光レーザアレイに関し、より特定的には、窒化ガリウムからなる基板を用いた面発光レーザ素子および面発光レーザアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ素子のひとつとして、面発光レーザ素子が提案されている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１では、窒化ガリウム基板上にｎ型ＤＢＲミラー（multilayer distributed Bragg reflectors）、スペーサ層、活性領域、スペーサ層、ｐ型ＤＢＲミラーを積層した面発光レーザ素子を提案している。また、特許文献２では、窒化物半導体とは異なる異種材料（たとえばサファイア）からなる基板上に第１の反射鏡、バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、電流狭窄層、ｐ型コンタクト層、第２の反射鏡およびｐ型電極を形成した面発光レーザ素子が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３４９３９３号公報
【特許文献２】特開平１０−３０８５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した特許文献１に開示された面発光レーザ素子においては、ＤＢＲミラーのトータル膜厚については特に言及していない。また、特許文献２に開示された面発光レーザ素子については、ｐ型電極から印加された電流がｐ型コンタクト層、電流狭窄層に形成された開口部を介してｐ型クラッド層に流れる。しかし、ｐ型層（ｐ型コンタクト層）の電気抵抗率はｎ型層に比べて相対的に高いため、発光領域に対応する開口部の面積を大きくすると、印加された電流を上記開口部の全面に十分に広げることが難しかった。このように、開口部の全面に電流を広げることができないと、結果的に所定の発光強度を有するレーザ光を得ることができない。一方、開口部の全面に十分電流が広がる程度に開口部の面積を小さくすると、結果的に発光領域の面積が非常に小さく、発光強度の不充分な面発光レーザ素子しか製造できない。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、十分な発光強度を得ることが可能な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に従った面発光レーザ素子は、窒化ガリウムからなる基板と、基板上に形成された、１つまたは２つのエピタキシャル多層膜層とを備える。エピタキシャル多層膜層は、ＡｌXＧａYＩｎ1−X−YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）という組成の材料を主成分とする一方層と、ＡｌＺＧａＷＩｎ1−Z−WＮ（０≦Ｚ≦１、０≦Ｗ≦１、０≦Ｚ＋Ｗ≦１）という組成の材料を主成分とし、一方層とは異なる組成である他方層とを含む。エピタキシャル多層膜層の１つの厚みは３μｍ以上６μｍ以下である。
【０００７】
この発明に従った面発光レーザアレイは、上記面発光レーザ素子を複数個集積することにより形成される面発光レーザアレイであって、共通する基板上に、複数個の面発光レーザ素子を構成するエピタキシャル多層膜層を形成した状態で、複数個の面発光レーザ素子は集積されている。複数個の面発光レーザ素子からの合計の発光強度は１０ｍＷを超える。
【０００８】
この発明に従った面発光レーザ素子は、窒化ガリウムからなる基板と、基板上に形成された活性層と、ｐ型のコンタクト層と、オーミック接合層と、透明性電極とを備える。ｐ型のコンタクト層は、基板上に形成され、活性層から出射したレーザ光の光路上に位置する。オーミック接合層は、コンタクト層上に接触するように形成される。透明性電極は、オーミック接合層上に接触するように形成される。コンタクト層は、ＩｎXＧａ1‐XＮ（０≦Ｘ≦１）という組成の材料を主成分とする。
【０００９】
この発明に従った面発光レーザアレイは、上記面発光レーザ素子を複数個集積することにより形成される面発光レーザアレイであって、共通する基板上に、前記複数個の面発光レーザ素子を構成する前記オーミック接合層を形成した状態で、複数個の面発光レーザ素子は集積されている。複数個の面発光レーザ素子からの合計の発光強度は１０ｍＷを超える。
【発明の効果】
【００１０】
このように、本発明によれば、十分な発光強度を有するレーザ光を発振することが可能な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態１を示す平面模式図である。図２は、図１に示した単位素子の部分拡大平面模式図である。図３は、図１の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。図１〜図３を参照して、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態１を説明する。
【００１３】
図１および図２に示すように、本発明による面発光レーザ素子は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上に複数の層が積層され、その最上層にボンディングワイヤを接続するためのパッド３と、このパッド３に接続するように形成されたｐ型のリング電極５と、このリング電極５の内周側に配置された誘電体ミラー７とを備える。この面発光レーザ素子の断面における具体的な構造は、図３に示されている。図３に示すように、ｎ−ＧａＮ基板１３（ｎ型の導電型を有するＧａＮ基板１３）の裏面側にｎ型の電極１１が配置され、ｎ−ＧａＮ基板１３の表面上にバッファ層１５が形成されている。このバッファ層１５を構成する材料としては、たとえばｎ−ＧａＮ（ｎ型の導電型を有する窒化ガリウム）を用いることができる。
【００１４】
このバッファ層１５上には、ｎ型層側のブラッグリフレクタ１７（multilayer distributed Bragg reflectors：以下、ＤＢＲ１７ともいう）が形成されている。このＤＢＲ１７は、ｎ−ＡｌＧａＮとｎ−ＧａＮとからなる層が複数積層した多層膜からなる。このＤＢＲ１７上にはｎ型のクラッド層１９が形成されている。このクラッド層１９を構成する材料としては、たとえばｎ−ＡｌＧａＮを用いることができる。このクラッド層１９上には多重量子井戸発光層２１が形成されている。この多重量子井戸発光層２１としては、たとえばＧａＩｎＮ層とＧａＮ層とを積層した多層膜構造を採用することができる。この多重量子井戸発光層２１上にｐ型のクラッド層２３を形成する。このクラッド層２３を構成する材料としては、たとえばｐ−ＡｌＧａＮを用いることができる。このクラッド層２３上にはｐ型のコンタクト層２５が形成されている。このコンタクト層２５を構成する材料としては、たとえばＧａＮを用いることができる。
【００１５】
このコンタクト層２５上に絶縁体からなる電流狭窄層２７が形成されている。この電流狭窄層２７を構成する材料としては、たとえばＳｉＯ2からなる絶縁膜を用いることができる。この電流狭窄層２７には、後述する誘電体ミラー７下に位置する領域に平面形状が円形状なる開口部が形成されている。この開口部がいわゆる発光領域となる。この開口部の直径は幅Ｄ１（図２参照）である。この電流狭窄層２７上にはｐ型のコンタクト層２９が形成されている。このコンタクト層２９を構成する材料としては、たとえばＧａＮを用いることができる。このコンタクト層２９上には、上述したリング電極５および誘電体ミラー７が形成されている。誘電体ミラー７は、たとえばＺｎＳとＭｇＦ2とからなる多層膜であってもよい。なお、ＤＢＲ１７の厚みＴ（図３参照）は、３μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
例えば、サファイア基板上に、ＤＢＲ１７として厚み３μｍ以上のものを形成すると、基板とＤＢＲ１７との格子定数の差から大きな歪が生じる。この結果、クラック(ひび）が発生して特性が劣化する。しかし、ＧａＮ基板１３上にＤＢＲ１７を形成した場合は、基板とＤＢＲ１７との格子整合度が著しく上昇するため、歪は減少する。この結果、クラックの発生を抑制できる。このように、ＧａＮ基板１３を用いれば、上述のような膜厚の厚いＤＢＲ１７を形成することができる。このような厚いＤＢＲ１７では、レーザ光として出射する波長の光について高い反射率を実現できる。この結果、誘電体ミラー７側からレーザ光を出射させることができる。
【００１７】
図４は、図１〜３に示した面発光レーザ素子の単位素子を用いた面発光レーザアレイを示す平面模式図である。図４を参照して、本発明による面発光レーザアレイを説明する。
【００１８】
図４に示すように、面発光レーザアレイは、単一のＧａＮ基板１３を用いて、図１に示した単位素子を複数個並べる（１つのＧａＮ基板１３を用いて複数の単位素子１を形成する）ことにより構成されている。図４では、図１に示した単位素子を２列に並べたように配置している。単位素子におけるパッド３には、それぞれ金からなるボンディングワイヤ３１が接続固定されている。このような面発光レーザアレイにより、十分なレーザ光出力を得ることができる。
【００１９】
図５は、図１〜図３に示した本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態１の変形例を示す平面模式図である。図５を参照して、本発明による面発光レーザ素子の単位素子の変形例を説明する。
【００２０】
図５に示すように、単位素子１は基本的には図１に示した単位素子と同様の構造を備えるが、１つの単位素子１の内部に複数の発光領域（リング電極５の内部に誘電体ミラー７が配置され、当該誘電体ミラー７下には図３に示すような電流狭窄層２７の開口部が形成された構造）が形成されている。このように、１つのパッド３に複数のリング電極５を接続し、複数の発光領域を形成すれば、単位素子１当たりの発光領域の面積を大きくすることができる。この結果、１つの単位素子当りの発光強度をより高めた（効率的な）面発光レーザ素子を実現できる。
【００２１】
（実施の形態２）
図６は、本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態２を示す平面模式図である。図７は、図６の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面模式図である。図６および図７を参照して、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態２を説明する。
【００２２】
図６に示すように、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態２は、基本的には図１に示した面発光レーザ素子の実施の形態１と同様の平面構造を有しているが、リング電極５の内周側に図１に示したような誘電体ミラー７が配置されていない点が異なる。また、その断面構造については、ｎ−ＧａＮ基板１３の裏面側にｎ型の電極１１が配置され、また、ｎ−ＧａＮ基板１３の表面上にバッファ層１５、ＤＢＲ１７、クラッド層１９および多重量子井戸発光層２１が配置されている。図６および図７に示した面発光レーザ素子においては、この多重量子井戸発光層２１までの構造は図３に示した本発明による面発光レーザ素子の実施の形態１と同様である。ただし、図６および図７に示した面発光レーザ素子は、多重量子井戸発光層２１より上層の構造が図３に示した面発光レーザ素子の実施の形態１とは異なっている。
【００２３】
具体的には、図７に示すように、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態２においては、多重量子井戸発光層２１上にｐ型のクラッド層２３が形成されている。そして、このクラッド層２３上にはｐ型層側のブラッグリフレクタ３３（以下、ＤＢＲ３３ともいう）が形成されている。ＤＢＲ３３は、複数種類の窒化物エピタキシャル層を交互に積層した多層膜構造となっている。たとえば、ＤＢＲ３３として、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した多層膜、あるいはＡｌＧａＮとＧａＩｎＮとを交互に積層した多層膜構造などを用いることができる。そして、このＤＢＲ３３上にｐ型のコンタクト層２５を形成する。このコンタクト層２５上には、上述したリング電極５が形成されている。そして、ＤＢＲ３３およびクラッド層２３にかけて、イオンを注入することにより絶縁化された絶縁化領域３５が形成されている。クラッド層２３においては、ちょうどリング電極５の内周側の直下に位置する部分に、絶縁化領域３５が形成されていない、平面形状が円形状の領域が形成されている。この領域の幅Ｄ２（直径）はたとえば５μｍとすることができる。そして、ＤＢＲ１７、３３の厚さＴはたとえば３μｍ以上６μｍ以下とすることができる。
【００２４】
このような構造では、ＧａＮ基板１３上に窒化物エピタキシャル層からなるＤＢＲ１７、３３を相対的に厚い膜厚（３μｍ以上６μｍ以下という膜厚）で形成できるので、多重量子井戸発光層２１において発光した光をこのＤＢＲ１７、３３間で十分に反射させることができる。この結果、十分な光量のレーザ光を発振させることができる。
【００２５】
（実施の形態３）
図８は、本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態３を示す平面模式図である。図９は、図８のＩＸ−ＩＸにおける断面模式図である。図８および図９を参照して、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態３を説明する。
【００２６】
図８に示すように、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態３は、その平面構造が基本的には図１に示した本発明による面発光レーザ素子の実施の形態１の平面形状と同様である。ただし、図１に示した面発光レーザ素子においては、コンタクト層２９上に直接ｐ型リング電極５および誘電体ミラー７が形成されていた。一方、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態３においては、図８および図９からもわかるように、素子の上層に透明性電極層３９が形成され、この透明性電極層３９上にリング電極５および誘電体ミラー７が形成されている。
【００２７】
図９に示した本発明による面発光レーザ素子の実施の形態３の断面形状は、基本的には図３に示した本発明による面発光レーザ素子の実施の形態１の断面構造と同様であるが、電流狭窄層２７より上層の構造が異なっている。すなわち、図９に示した面発光レーザ素子においては、絶縁体からなる電流狭窄層２７およびコンタクト層２５上にコンタクト層２９が形成されている。そして、このコンタクト層２９上にオーミック接合層３７が形成されている。このオーミック接合層３７上に透明性電極層３９が形成されている。この透明性電極層３９上に、上述したようにリング電極５および誘電体ミラー７が形成されている。ここで、オーミック接合層３７としては、たとえばトンネル接合層、金属層など、コンタクト層２９と透明性電極層３９との間のオーミック接合を実現できる構造であればどのような構造を適用してもよい。このようなオーミック接合層３７を配置することで、コンタクト層２９と透明性電極層３９とを確実に電気的に接続することができる。
【００２８】
図１０は、図８および図９に示した面発光レーザ素子の単位素子を利用した面発光レーザアレイを示す平面模式図である。図１０に示すように、複数の単位素子を並べて配置することにより、この面発光レーザアレイ全体からの発光強度を十分大きくすることができる。この結果、発光強度が必要な用途に本発明による面発光レーザアレイを適用することができる。なお、図１０に示した面発光レーザアレイの構造は、基本的には図４に示した面発光レーザアレイの構造と同様である。
【００２９】
図１１は、図８および図９に示した面発光レーザ素子におけるオーミック接合層の変形例を説明するための部分断面模式図である。図１１を参照して、本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態３の第１の変形例を説明する。
【００３０】
図１１に示すように、オーミック接合層３７としてはいわゆる積層超格子構造を採用することができる。具体的には、図１１に示すように、コンタクト層２９と透明性電極層３９との間に配置されるオーミック接合層３７を、コンタクト層２９を構成する材料と同じ材料からなる材質層４３と、透明性電極層３９と同じ材料からなる材質層４１とを交互に積層した積層構造とする。そして、コンタクト層２９から透明性電極層３９に向かうにつれて、透明性電極層３９と同じ材質からなる材質層４１の厚みＴ２が徐々に厚くなるように配置されている。一方、コンタクト層２９から透明性電極層３９に向かうにつれて、コンタクト層２９と同じ材質からなる材質層４３の厚みＴ３は徐々に薄くなるように配置されている。
【００３１】
なお、このとき、隣接する透明性電極層３９と同じ材料からなる材質層４１の厚みＴ２と、コンタクト層２９と同じ材資質からなる材質層４３の厚みＴ３との合計厚みＴ１は、隣接する材質層４１、４３のペアのそれぞれについてほぼ同じ厚みとすることが好ましい。このようにしても、透明性電極層３９とコンタクト層２９とのオーミック接続を、オーミック接合層３７を介して実現することができる。
【００３２】
図１２は、図８および図９に示した本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態３の第２の変形例を示す断面模式図である。図１２は図９に対応する。図１２を参照して、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態３の第２の変形例を説明する。
【００３３】
図１２に示した面発光レーザ素子は、基本的には図９に示した面発光レーザ素子の断面構造と同様の構造を備えるが、電流狭窄層２７より上層の構造が図９に示した面発光レーザ素子と異なっている。すなわち、図１２に示した面発光レーザ素子は、絶縁体からなる電流狭窄層２７上に金属膜からなるオーミック接合層３７が直接形成されている。このオーミック接合層３７上には透明性電極層３９が形成されている。この透明性電極層３９上には、図９に示した面発光レーザ素子と同様にリング電極５および誘電体ミラー７が配置されている。ここで、オーミック接合層３７として用いられる金属膜を構成する金属材料としては、たとえば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などを用いることができる。このようなオーミック接合層３７を用いても、透明性電極層３９とコンタクト層２５とを電気的に接続することができる。
【００３４】
図１３は、本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態３の第３の変形例を説明するための断面模式図である。図１３を参照して、本発明による面発光レーザ素子の実施の形態３の第３の変形例を説明する。なお、図１３は、図９に対応する。
【００３５】
図１３に示した面発光レーザ素子の断面構造は、基本的には図７に示した本発明による面発光レーザ素子の実施の形態２の断面構造と同様であるが、コンタクト層２５上にオーミック接合層３７および透明性電極層３９が形成されている点、および透明性電極層３９上にリング電極５が配置されている点が異なる。このような構造においても、コンタクト層２５と透明性電極層３９との電気的な接続をオーミック接合層３７により実現することができる。なお、オーミック接合層３７としては、上述したトンネル接合層、積層超格子、金属膜などの構造を適用することができる。
【００３６】
なお、上述した実施の形態２〜３に示した単位素子１における発光領域の幅に対応する幅Ｄ１およびＤ２は、好ましくは２０μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以上５０μｍ以下、最も好ましくは３０μｍ以上５０μｍ以下である。
【実施例１】
【００３７】
本発明による面発光レーザ素子の効果を確認するため、以下のようなサンプルを準備して試験を行なった。まず、本発明の実施例のサンプルとして、本発明の実施の形態１に示したような構造の面発光レーザ素子のサンプルを準備した。具体的には、図３に示すようにｎ−ＧａＮ基板１３上に金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal-organic chemical vapor deposition）を用いて面発光レーザ素子を構成する各層を形成した。また、比較例としては、図１４および図１５に示すような構造の、サファイア基板を用いた面発光レーザ素子のサンプルを準備した。ここで、図１４は、比較例としての面発光レーザ素子の単位素子の部分平面模式図である。図１５は、図１４の線分ＸＶ−ＸＶにおける断面模式図である。
【００３８】
上述した本発明の実施例のサンプルについては、具体的には以下のような構成とした。すなわち、図３に示すように、導電性のｎ−ＧａＮ基板１３上に、バッファ層１５としてｎ−ＧａＮバッファ層を形成した。なお、このバッファ層１５については、ＧａＮ基板および後述するサファイア基板１５２（図１５参照）のそれぞれの材質に合わせて、低温成長バッファ層あるいは高温成長バッファ層を用いた。そして、このバッファ層１５上にＢＤＲ１７を形成した。このＢＤＲ１７としては、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮ多層膜エピタキシャル構造（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層とＧａＮ層とを交互に積層した積層構造）を採用した。なお、ここでＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層とＧａＮ層との一組（ワンペア）当たりの合計厚みは約８２ｎｍとした。
【００３９】
そして、実施例のサンプルとして、サンプルａ：２５ペア、サンプルｂ：３７ペア、サンプルｃ：６０ペア、サンプルｄ：７２ペアと、それぞれＤＢＲ１７の厚みを変えた４つのサンプルを準備した。その後、ＤＢＲ１７上にクラッド層１９としてｎ−ＡｌＧａＮ層を形成した。このクラッド層１９より上層の構造は、基本的にサンプルａ〜サンプルｄすべてについて共通である。このクラッド層１９上に多重量子井戸発光層２１としてＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸構造を形成した。具体的には、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＧａＮ層とを交互に積層した多層膜構造を形成した。この多重量子井戸発光層２１上に、上述したクラッド層１９と同様の構造のクラッド層２３を形成した。なお、ｎ型クラッド層１９はｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層であり、ｐ型クラッド層２３はｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層である。
【００４０】
そして、ｐ型のクラッド層２３上にｐ型のコンタクト層２５を形成した。このｐ型のコンタクト層２５として、ｐ+−ＧａＮコンタクト層を形成した。そして、このコンタクト層２５上に電流狭窄層２７としてＳｉＯ2絶縁体からなる電流狭窄層２７を形成した。この電流狭窄層２７上にｐ型コンタクト層２５と同じ組成のｐ型コンタクト層２９を形成した。そして、このｐ型コンタクト層２９上のｐ型のリング電極５および誘電体ミラー７を配置した。誘電体ミラー７としては、４２０ｎｍ近傍の波長の光について９９％の反射率を有するＺｎＳ／ＭｇＦ2多層膜（１２ペア）を採用した。なお、電流狭窄層２７によって指定される発光領域（電流狭窄層２７に形成された平面形状が円形の開口部により規定される領域）の幅（直径）Ｄ１（図１参照）は５μｍとした。また、誘電体ミラー７を囲むように配置されたリング電極５は、上述した発光領域へ電流を注入するためのものである。
【００４１】
次に、図１４および図１５に示すような比較例のサンプルａ’〜ｄ’を作成した。具体的には、ＧａＮ基板に代えてサファイア基板１５２上に、上述した本発明の実施例のサンプルと同様のエピタキシャル膜を順次形成していった。比較例のサンプルａ’〜ｄ’は、上述した本発明の実施例のサンプルａ〜ｄに対応する。サファイア基板１５２上に、実施例のサンプルと同様に、バッファ層１５、サンプルａ’〜ｄ’それぞれについて厚み（ペア数）の異なるＤＢＲ１７、クラッド層１９、多重量子井戸発光層２１、クラッド層２３、コンタクト層２５、電流狭窄層２７、コンタクト層２９、リング電極５および誘電体ミラー７を形成することにより、比較例のサンプルａ’〜ｄ’を作成した。サンプルａ’〜ｄ’のそれぞれについてのＤＢＲ１７のペア数は、本発明の実施例のサンプルａ〜ｄにおけるＤＢＲ１７のペア数と同様である。
【００４２】
なお、サファイア基板１５２は導電性を有さないため、レーザの発光面側であるサファイア基板１５２の上部表面側において、バッファ層１５上にｎ型の電極１１が形成されている。そして、このような電極１１を形成するため、図１４および図１５に示した比較例としてのサンプルａ’〜ｄ’においては、コンタクト層２９からバッファ層１５の途中までの端面１５０（図１５参照）が表われた状態となっている。ｎ型電極１１（電極１１ともいう）は、図１４からもわかるようにリング電極５の外周側を囲むような配置となっている。なお、上述のようにバッファ層１５の表面を露出させているために、エッチングによりコンタクト層２９からバッファ層１５の途中までに各層を部分的に除去するといった手法を用いることができる。一方、本発明の実施例としてのサンプルａ〜ｄにおいては、上述したｎ型電極１１はｎ−ＧａＮ基板１３の裏面側に形成されている。
【００４３】
そして、上述のような本発明の実施例のサンプルａ〜ｄおよび比較例のサンプルａ’〜ｄ’について、まずｎ型層側のＤＢＲ１７の反射率を評価した。なお、この反射率は波長が４２０ｎｍの光についての反射率である。その結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
2006121010.tif 000003
【００４５】
表１からもわかるように、いずれの測定結果もシミュレーションから導かれる理想値よりは低くなっているものの、特にサファイア基板を用いた比較例における反射率の低下が顕著である。これは、ＤＢＲ１７を構成する多層膜の界面の平坦性が劣化していることを示していると思われる。さらに、サファイア基板を用いた比較例の場合、サンプルｂ’のＤＢＲ１７において部分的にクラック（ひび）が確認された。また、比較例のサンプルｃ’およびサンプルｄ’においては、ＤＢＲ１７の表面全面にクラックが確認された。これは、サファイア基板とＤＢＲ１７との格子不整による歪による。一方、ＧａＮ基板を用いた本発明の実施例のサンプルａ〜サンプルｄでは、ＤＢＲ１７におけるクラックは一切確認できなかった。また、表１からもわかるように、その反射率の値も高くなっている。つまり、この反射率のデータは、本発明の実施例のサンプルａ〜ｄにおけるＤＢＲ１７の各層の界面の平坦性が、比較例のサンプルａ’〜ｄ’におけるＤＢＲ１７の各層の界面の平坦性より良好であることを示していると思われる。
【００４６】
次に、上述したそれぞれのサンプルについて、電流注入（連続通電）を行なうことにより、レーザ発振の有無を調べた。その結果、サファイア基板を用いた比較例のサンプルａ’〜ｄ’のデバイスでは、いずれにおいてもその構造が破壊される大電流密度（約４ｋＡ／ｃｍ2）までのいかなる電流密度領域においてもレーザ発振は確認できなかった。一方、ＧａＮ基板を用いた本発明の実施例のサンプルａ〜ｄについては、異なる結果を得た。すなわち、本発明の実施例のサンプルａでは、その構造が破壊される大電流密度（約１０ｋＡ／ｃｍ2）までのいかなる電流密度領域でもレーザ発振は確認できなかったが、実施例のサンプルｂでは約７ｋＡ／ｃｍ2のしきい値電流密度でレーザ発振が確認された。また、本発明の実施例のサンプルｃでは約３ｋＡ／ｃｍ2のしきい値電流密度においてレーザ発振が確認された。さらに、本発明の実施例であるサンプルｄについては、約４ｋＡ／ｃｍ2のしきい値電流密度でレーザ発振が確認された。
【００４７】
このように、本発明に従ったサンプルのようなＧａＮ基板上の面発光レーザ構造においては、その構造が破壊される電流密度よりも低い電流密度でレーザ発振を実現できる。また、上述した結果から、ＤＢＲ１７の厚みについては、サンプルｂにおけるＤＢＲ１７の厚みである３μｍ以上が必要であること、さらにＤＢＲ１７の厚みが６μｍ以上では、ＤＢＲ１７厚みを６μｍより厚くした場合との顕著な差が見られないということもわかった。すなわち、ＤＢＲ１７の厚みとしては、３μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましいことがわかった。
【実施例２】
【００４８】
次に、本発明による面発光レーザ素子の効果を確認すべく、以下のようなサンプルを準備して測定を行なった。ここでは、本発明の実施例のサンプルとして、図６および図７に示したような構造の面発光レーザ素子を準備した。具体的には、基板として導電性のＧａＮ基板を用いた。そして、ＧａＮ基板上に面発光レーザ素子を構成する各層を形成する方法として、上述した実施例１の場合と同様にＭＯＣＶＤ法を用いた。このｎ−ＧａＮ基板１３上に形成されたバッファ層１５の材料としては、上述した実施例１におけるバッファ層１５（図３参照）と同様の材質を用いた。次に、このバッファ層１５上に形成されるｎ型層側のＤＢＲ１７としては、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮという積層膜（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜とＧａＮ膜との積層膜）を６０ペア積層した多層膜エピタキシャル構造を採用した。なお、ここでＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮ積層膜ワンペア当たりの厚みは８０ｎｍとした。
【００４９】
エピタキシャル構造としての活性層の構造は、図７に示したように多重量子井戸発光層２１をｎ型クラッド層１９およびｐ型クラッド層２３で挟んだような構造とした。多重量子井戸発光層２１としては、発光波長が４２０ｎｍ程度であるＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸構造を採用した。また、ｎ型クラッド層１９としては、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を用いた。また、ｐ型クラッド層２３としては、ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層を用いた。そして、このｐ型クラッド層２３上にｐ型層側のＤＢＲ３３を形成した。実施例のサンプルとして、このＤＢＲ３３の構造が異なる２つのサンプルｅおよびサンプルｆを準備した。具体的には、サンプルｅにおいては、ＤＢＲ３３としてＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮ：６０ペアの多層膜エピタキシャル構造（すなわちｎ層側のＤＢＲ１７と同一の構造）を採用した。一方、サンプルｆについては、ＤＢＲ３３としてＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ：６０ペアの多層膜エピタキシャル構造を採用した。なお、上述したサンプルｆのＤＢＲ３３を構成する１つのペア当たりの厚み（Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎペア当りの厚み）は約８６ｎｍとした。ｐ型コンタクト層２５としてｐ+−ＧａＮコンタクト層を形成した。
【００５０】
そして、このようにして得られたエピタキシャルウェハについて、面発光レーザ構造となるようにデバイス化した。具体的には、メサエッチングおよびイオン注入による選択的部分絶縁化工程により絶縁化領域３５を形成した。この絶縁化領域３５によって定められる発光領域はその直径Ｄ２（図７参照）が５μｍの円形状の平面形状を有している。コンタクト層２５上には、発光領域の周囲から発光領域へ電流を注入するためのリング電極５がコンタクト層２５上に形成されている。
【００５１】
このようにして得られたサンプルｅおよびサンプルｆについて、その構造を観察した。その結果、サンプルｅにおいては、部分的にＤＢＲ３３の表面にクラック（ひび）が確認された。一方、サンプルｆにおいては、ＤＢＲ３３においてクラックは一切確認できなかった。
【００５２】
また、サンプルｅおよびサンプルｆについて、電流注入（連続通電）により、レーザ発振の可否を調べた。その結果、サンプルｅについては、その構造が破壊される直前の大電流密度（約１０ｋＡ／ｃｍ2）でようやくレーザ発振を確認した。一方、サンプルｆについては、約２．５ｋＡ／ｃｍ2といったかなり低いしきい値電流密度において、レーザ発振を確認した。
【００５３】
この結果、ＧａＮ基板上の面発光レーザ構造において、上述した２つのミラー構造（ＤＢＲ１７、３３）を、エピタキシャル膜を用いたＤＢＲとすることが可能であることがわかる。
【実施例３】
【００５４】
上述した実施例１の本発明の実施例のサンプルｃと同じ構造を、ＧａＮ基板上に２個×５０個のアレイ状に形成した。図１６は、上述したアレイ状に形成した面発光レーザ素子の単位素子の平面形状を示す平面模式図である。また、図１７は、図１６に示した単位素子を２個×５０個のアレイ状に形成した面発光レーザアレイの平面模式図である。図１６を参照して、１つの単位素子１の平面形状は、その幅Ｗ１が１２０μｍであり、長さＬ１が１５０μｍである。この単位素子１の表面には、外部との電気的接続を図るためのパッド３と、このパッド３に接続されたリング電極５とが形成されている。このリング電極５の内周側に発光領域が位置する。なお、この発光領域の直径は、図１に示した直径（幅Ｄ１）である。発光領域の直径（幅Ｄ１）はこの実施例において５μｍとした。この結果、当該発光領域の単位素子１全体の面積に対する面積比は０．１１％となった。各単位素子１は、図１６に示すようにそれぞれ独立にｐ型電極（すなわちワイヤボンディングパッドであるパッド３およびリング電極５）を有している。一方、ｎ型電極は、図３などからもわかるようにＧａＮ基板の裏面側に共通電極（ｎ型電極１１）として形成されている。
【００５５】
図１７に示すように、２個×５０個のアレイ状に配置された単位素子１について、それぞれのパッド３に電流を供給するための導電線としてのボンディングワイヤ３１が接続されている。このような構成の面発光レーザアレイにおいて、すべての単位素子１について連続通電によるレーザ発振を確認した。そして、１つの単位素子１当たり８ｋＡ／ｃｍ2の電流密度の通電を行なうことにより、１つの単位素子１当たりで平均０．２ｍＷのレーザ光出力を得ることができた。この結果、アレイ全体では２０ｍＷのレーザ光出力を得ることができた。
【実施例４】
【００５６】
本発明による面発光レーザ素子の効果を確認するため、以下のようなサンプルを準備して測定を行なった。具体的には、図８および図９に示す構造の、本発明の実施例としてのサンプルｇ〜サンプルｋを準備した。基板としては、導電性のＧａＮ基板をｎ−ＧａＮ基板１３として用いた。このｎ−ＧａＮ基板１３上に膜を形成する方法としては、上述した実施例と同様にＭＯＣＶＤ法を用いた。ｎ−ＧａＮ基板１３上に形成されたバッファ層１５の構造は、実施例１において形成したサンプルａ〜サンプルｄと同様である。
【００５７】
そして、このバッファ層１５上にｎ型層側のＤＢＲ１７を形成する。このＤＢＲ１７としては、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮ：６０ペアの多層膜エピタキシャル構造を採用した。Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮのワンペア当たりの厚みは約８１ｎｍとした。また、活性層の構造は、各サンプルとも共通しており、多重量子井戸発光層２１をｎ型クラッド層１９およびｐ型クラッド層２３で挟んだ構造とした。多重量子井戸発光層２１としては、発光波長が４００ｎｍ程度であるＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸構造を採用した。また、ｎ型クラッド層１９としては、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層を用いた。また、ｐ型クラッド層２３としては、ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層を用いた。ｐ型クラッド層２３上にはｐ型コンタクト層２５を形成した。ｐ型コンタクト層２５としては、ｐ+−ＧａＮコンタクト層を形成した。また、ｐ型コンタクト層２５上には、上述した実施例１の場合と同様に絶縁体からなる電流狭窄層２７を形成した。また、この電流狭窄層２７上には、図９に示すようにｐ型のコンタクト層２９としてのｐ+−ＧａＮコンタクト層を形成した。
【００５８】
そして、図９に示したオーミック接合層３７および透明性電極層３９の構造が異なるサンプルｇ〜サンプルｋを準備した。具体的には、サンプルｇについては、特にオーミック接合層３７および透明性電極層３９を形成せず、実施例１と同様にｐ型のコンタクト層２９の上に直接リング電極５および誘電体ミラー７を形成した。また、サンプルｈについては、オーミック接合層３７として、厚みが１０ｎｍのｎ++−ＧａＮ層を形成した。ｎ++−ＧａＮ層のキャリア濃度は約１×１０19ｃｍ-3であり、ｐ+−ＧａＮコンタクト層との間でトンネル接合ダイオード（江崎ダイオード）構造を形成している。そして、このオーミック接合層３７上に透明性電極層３９として厚みが１００ｎｍの透明導電酸化膜ＩＴＯ層を形成した。
【００５９】
また、サンプルｉについては、図９のオーミック接合層３７として厚みが１０ｎｍのｎ++−ＧａＮ層を形成した。そして、透明性電極層３９として、厚みが１００ｎｍの透明導電酸化膜ＩＤＸ層を形成した。なお、ここでＩＤＸ層とは、ＩｎとＺｎとの酸化物混晶からなる層である。次に、サンプルｊについては、オーミック接合層３７として、ｐ+−ＧａＮ層の薄膜とＩＴＯ層の薄膜とを交互に１０層積層した積層超格子構造を形成した。また、透明性電極層３９として厚みが１００ｎｍの透明導電酸化物であるＩＴＯ層を形成した。次に、サンプルｋとしては、既に述べたサンプルｊと同様の構造において、透明性電極層３９をＩＴＯ層ではなくＩＤＸ層とした。
【００６０】
そして、このようにＧａＮ基板上にエピタキシャル層を成長させた基板について、面発光レーザ構造となるようにデバイス化した。すなわち、図９に示したｐ型層側の反射層としての誘電体ミラー７として、波長が４２０ｎｍ近傍の光について９９％の反射率を有するＺｎＳ／ＭｇＦ2多層膜（ＺｎＳ層とＭｇＦ2層とのペアを１２ペア積層した多層膜）を採用した。絶縁体ＳｉＯ2からなる電流狭窄層２７に形成された平面形状が円形状の部分によって定められる発光領域の直径（幅Ｄ１）（図９参照）は３０μｍとした。そして、この発光領域へ電流を注入するためのリング電極５は、サンプルｇにおいては図３に示すようにｐ型のコンタクト層２９上に直接形成した。また、サンプルｇ以外のサンプルｈ〜サンプルｋについては、透明性電極層３９上にリング電極５を形成した。なお、図９および図３からもわかるように、上述した誘電体ミラー７は、サンプルｇではｐ型のコンタクト層２９上に形成されている。一方、サンプルｈ〜サンプルｋにおいては、誘電体ミラー７は透明性電極層３９上に形成されている。
【００６１】
そして、上述したサンプルｇ〜サンプルｋのそれぞれについて、電流注入時の動作電圧を調べた。この結果、標準構造と考えられるサンプルｇにおいては、電圧５Ｖのときに３ｋＡ／ｃｍ2であった。一方、他のサンプルｈ〜サンプルｋにおいては、いずれのサンプルも動作電圧が５±１Ｖの範囲の電圧を示した。つまり、サンプルｈ〜サンプルのｋのいずれにおいても、オーミック接合層３７によってオーミック接合が形成されていることがわかった。
【００６２】
次に、各サンプルについて、電流注入（連続通電）を行なうことにより、レーザ発振の可否を調べた。その結果、サンプルｇにおいては、注入された電流が発光領域（直径Ｄ１が３０μｍという円の内部）の全域に均一には広がらず、安定したモードでのレーザ発振を確認できなかった。一方、サンプルｈ〜サンプルｋについては、いずれも発光領域に対して均一に電流が広がって供給されることが確認された。すなわち、サンプルｈ〜サンプルｋのそれぞれについて、２．５〜６ｋＡ／ｃｍ2の範囲のしきい値電流密度でレーザ発振することが確認できた。
【実施例５】
【００６３】
次に、図１２に示したように、オーミック接合層３７として金属層を用いた場合の効果を確認するべく、以下のようなサンプルを準備して各種の測定を行なった。
【００６４】
具体的には、図１２に示したような構造のサンプルｌ〜サンプルｓを形成した。すなわち、ｎ−ＧａＮ基板１３として導電性ＧａＮ基板を用いた。この導電性ＧａＮ基板上に形成される膜の製造方法としては、ＭＯＣＶＤ法を用いた。ｎ−ＧａＮ基板１３上に形成されるバッファ層１５としては、上述した実施例４のサンプルにおけるバッファ層１５（図９参照）と同様の構造とした。このバッファ層１５上に、ｎ型層側のＤＢＲ１７を形成した。このＤＢＲ１７としては、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮ：６０ペアの多層膜エピタキシャル構造を採用した。なお、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮの１ペア当たりの厚みは約８１ｎｍとした。
【００６５】
また、活性層の構造としては、多重量子井戸発光層２１をｎ型クラッド層１９およびｐ型クラッド層２３により挟んだ構造とした。これらの多重量子井戸発光層２１、ｎ型のクラッド層１９およびｐ型のクラッド層２３の具体的な構成は、上述した実施例４における構造と同様とした。ｐ型クラッド層２３上にはｐ型コンタクト層２５を形成した。ｐ型のコンタクト層２５としては、ｐ+−ＧａＮコンタクト層を形成した。このｐ型コンタクト層２５上に絶縁体からなる電流狭窄層２７を形成した。なお、このｐ型コンタクト層２５および電流狭窄層２７の構造も、上述した実施例４における構造と同様である。
【００６６】
次に、図１２に示すようにオーミック接合層３７を形成するが、このオーミック接合層３７の構造がそれぞれ異なるように、サンプルｌ〜サンプルｓを作成した。具体的には、サンプルｌにおいては、オーミック接合層３７として、厚みが０．５ｎｍの金（Ａｕ）からなる膜を形成した。また、サンプルｍにおいては、オーミック接合層３７として厚みが１ｎｍのＡｕ膜を形成した。また、サンプルｎにおいては、オーミック接合層３７として厚みが３ｎｍのＡｕ膜を形成した。また、サンプルｏについては、オーミック接合層３７として厚みが１０ｎｍのＡｕ膜を形成した。また、サンプルｐについては、オーミック接合層３７として、厚みが１５ｎｍのＡｕ膜を形成した。また、サンプルｑにおいては、オーミック接合層３７として厚みが３ｎｍのニッケル（Ｎｉ）膜を形成した。また、サンプルｒにおいては、オーミック接合層３７として厚みが３ｎｍの白金（Ｐｔ）膜を形成した。また、サンプルｓにおいては、オーミック接合層３７として厚みが３ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）膜を形成した。
【００６７】
そして、上述したサンプルｌ〜サンプルｓのそれぞれについて、オーミック接合層３７上に厚みが１００ｎｍのＩＴＯ膜を透明性電極層３９として形成した。その後、このようにＧａＮ基板上にエピタキシャル膜を形成したウェハを面発光レーザ光層のデバイスとなるように加工した。なお、透明性電極層３９上に形成されるｐ型層側の反射層としての誘電体ミラー７には、波長が４２０ｎｍ近傍の光について９９％の反射率を有するＺｎＳ／ＭｇＦ2多層膜（１２ペア）を採用した。また、絶縁体であるＳｉＯ2からなる電流狭窄層２７に形成された、平面形状が円形状の開口部によって定められる発光領域の直径（幅Ｄ１）（図１２参照）は３０μｍとした。そして、周囲から当該発光領域へ電流を注入するためのリング電極５を透明性電極層３９の上に形成した。
【００６８】
そして、上述したサンプルｌ〜サンプルｓのそれぞれについて、電流注入時の動作電圧を確認した。その結果、サンプルｌについてのみ、電流密度が０．５ｋＡ／ｃｍ2のときに電圧が１０Ｖを超えていた。これは、オーミック接合層３７においてオーミック接合が実現できていないことを示すと思われる。一方、サンプルｌ以外のサンプルｍ〜サンプルｓについては、いずれの素子においても、電流密度が４ｋＡ／ｃｍ2という電流密度の電流注入時に５±１Ｖという範囲の電圧を示した。つまり、上述したサンプルｌ以外のサンプル（サンプルｍ〜サンプルｓ）においては、オーミック接合層３７においてオーミック接合が実現されていることがわかる。
【００６９】
続いて、上述したサンプルｌ以外のサンプルを、電流注入（連続通電）することによりレーザ発振の可否について確認した。その結果、サンプルｐについてのみ、その構造が破壊される大電流密度（約１０ｋＡ／ｃｍ2）までのいかなる電流密度の領域においてもレーザ発振を確認できなかった。これは、オーミック接合層３７を構成する１５ｎｍの厚みのＡｕ層（すなわち厚膜金層）での光吸収を、レーザの利得が上回ることができなかったためであると考えられる。一方、その他の構造のサンプルでは、いずれも発光領域に均一に電流が広がっていることが確認された。そして、それぞれ２．５〜８ｋＡ／ｃｍ2の範囲のしきい値電流密度においてレーザ発振することが確認できた。
【実施例６】
【００７０】
上述した実施例５におけるサンプルｎに示した構造を、ＧａＮ基板上に２個×５個のアレイ状に形成した面発光レーザアレイを作製した。図１８は、上述した面発光レーザアレイを構成する単位素子を示す平面模式図である。図１９は、図１８に示した単位素子を用いて形成された面発光レーザアレイの平面模式図である。図１８および図１９を参照して、実施例６において形成されたサンプルを説明する。
【００７１】
図１８に示すように、実施例６において形成した面発光レーザアレイを構成する単位素子１の平面形状は、その幅Ｗ２が１２０μｍであり、その長さＬ２が１５０μｍである。そして、発光領域の円形状部分の直径（幅Ｄ１）は５０μｍである。この結果、発光領域の面積の単位素子の面積に対する比率は１１％となる。図１８からもわかるように、各単位素子はそれぞれ独立にｐ型電極（すなわちパッド３およびリング電極５）を有している。一方、図示していないが図１９に示した面発光レーザアレイでは、ＧａＮ基板の裏面側にｎ型電極が共通電極として形成されている。
【００７２】
図１９からもわかるように、面発光レーザアレイを構成する各単位素子１のパッド３には、それぞれ電流を供給するためのボンディングワイヤ３１が接続されている。そして、この面発光レーザアレイについては、すべての単位素子１で連続通電によるレーザ発振が確認できた。そして、１つの単位素子当たり７ｋＡ／ｃｍ2の電流密度の通電を行なうことにより、１つの単位素子当たり平均２０ｍＷのレーザ光出力を得ることができた。すなわち、図１９に示した面発光レーザアレイでは、２００ｍＷの高出力のレーザ光出力を得ることができた。
【００７３】
上述した説明と一部重複するものもあるが、本発明の特徴的な構成を以下網羅的に列挙する。
【００７４】
図３、図７、図９、図１２、図１３などに示すように、この発明に従った面発光レーザ素子としての単位素子１は、窒化ガリウムからなる基板としてのｎ−ＧａＮ基板１３と、ｎ−ＧａＮ基板１３上に形成された、１つまたは２つのエピタキシャル多層膜層としての分布型ブラッグ反射膜（ＤＢＲ１７、３３）とを備える。ＤＢＲ１７、３３は、ＡｌXＧａYＩｎ1−X−YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）という組成の材料を主成分とする一方層と、ＡｌＺＧａＷＩｎ1−Z−WＮ（０≦Ｚ≦１、０≦Ｗ≦１、０≦Ｚ＋Ｗ≦１）という組成の材料を主成分とし、一方層とは異なる組成である他方層とを含む。ＤＢＲ１７、３３の１つの厚みＴは３μｍ以上６μｍ以下である。
【００７５】
この場合、基板として窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ−ＧａＮ基板１３を用いるので、当該ｎ−ＧａＮ基板１３上に上述したような組成のエピタキシャル多層膜層からなるＤＢＲ１７、３３を、クラックなどの欠陥を発生させることなく３μｍ以上の厚みで形成することができる。そして、このように３μｍ以上の厚みのＤＢＲ１７、３３は、十分な反射率を実現することができるため、反射膜として面発光レーザ素子を構成する活性層としての多重量子井戸発光層２１からの光を確実に反射することができる。この結果、面発光レーザ素子としての単位素子１において十分な発光強度のレーザ光の発振を実現できる。なお、ＤＢＲ１７、３３の１つの厚みＴの下限を３μｍとしたのは、３μｍよりその厚みが薄いと十分な反射率を得ることが出来ないため、レーザ光の発振ができなくなるからである。また、厚みＴの上限を６μｍとしたのは、ＤＢＲ１７、３３の厚みＴを６μｍより大きくしても、厚みＴが６μｍの時に比べて反射率などの特性に大きな変化は見られないためである。また、１つのＤＢＲ１７、３３の厚みＴは、好ましくは３．５μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは４μｍ以上５μｍ以下である。
【００７６】
なお、エピタキシャル多層膜層からなるＤＢＲ１７、３３のより具体的な構成例としては、たとえば、ＡｌXＧａ1−XＮ（０≦Ｘ≦１）という組成の材料を主成分とする一方層と、Ｇａ1-ZＩｎZＮ（０≦Ｚ≦１、０≦Ｚ＜Ｘ≦１）という組成の材料を主成分とする他方層とを含む構成が挙げられる。また、エピタキシャル多層膜層の他の構成例としては、ＡｌXＧａ1−XＮ（０≦Ｘ≦１）という組成の材料を主成分とする一方層と、ＧａＮという組成の材料を主成分とする他方層とを含む構成が挙げられる。
【００７７】
上記単位素子１において、エピタキシャル多層膜層としてのＤＢＲ１７、３３は、３８０ｎｍ以上５２０ｎｍ以下という範囲の波長領域のうちの所定の波長領域の光（たとえば、波長が４２０ｎｍの光）についての反射率が９８％以上である。この場合、ＤＢＲ１７、３３において、上記所定の波長領域に含まれる波長を有する光を十分反射することができる。従って、当該波長を有するレーザ光を発振することができる単位素子１を実現できる。なお、上記反射率は、好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．４％以上である。
【００７８】
上記単位素子１において、ＧａＮ基板１３はｎ型の導電性を有している。上記単位素子１は、電流を注入するためのｎ型の電極１１をさらに備えていてもよい。当該電極１１は、ＧａＮ基板１３においてＤＢＲ１７、３３が形成された表面側と反対側に位置する裏面上に形成されていてもよい。図１８に示すように、ＧａＮ基板１３の表面側における単位素子１の表面積に対する、ＧａＮ基板１３の表面側において発光する領域としての発光領域４５（または開口部９）の面積の割合は１０％超えであることが好ましい。
【００７９】
この場合、大きな発光領域４５が必要とされるような用途に適した面発光レーザ素子としての単位素子１を実現できる。また、ＧａＮ基板１３が導電性を有しているため、上記電極１１をＧａＮ基板１３の裏面側に配置できる。そのため、発光面側であるＧａＮ基板１３の表面側に当該電極１１を配置する必要が無いため、ＧａＮ基板１３の表面側において発光領域４５の相対的な大きさを十分大きくする事ができる。
【００８０】
図７や図１３に示すように、上記単位素子１において、エピタキシャル多層膜層としてのＤＢＲ１７、３３は２つ形成されていてもよい。上記単位素子１は、２つのＤＢＲ１７、３３の間に配置された活性層としての多重量子井戸発光層２１をさらに備えていてもよい。
【００８１】
また、図３、図９、図１２などに示すように、上記単位素子１において、エピタキシャル多層膜層としてのＤＢＲ１７は１つ形成されていてもよい。上記単位素子１は、ＤＢＲ１７上に配置された活性層としての多重量子井戸発光層２１と、当該活性層上（ｐ型クラッド層２３上）に形成された反射膜層としての誘電体ミラー７とを備えていてもよい。
【００８２】
図４、図１０、図１７、図１９などに示すように、この発明に従った面発光レーザアレイは、上記単位素子１を複数個集積することにより形成される面発光レーザアレイであって、共通するＧａＮ基板１３上に、複数個の単位素子１を構成するＤＢＲ１７のみ、または２つのＤＢＲ１７、３３を形成した状態で、複数個の単位素子１は集積されている。複数個の単位素子１からの合計の発光強度は１０ｍＷを超える。この場合、十分大きな発光強度を必要とする用途に適用可能な面発光レーザアレイを実現できる。また、集積する単位素子１の個数や配置を任意に変更することで、光源としての面発光レーザアレイにおける発光領域の形状や発光強度を任意に変更できる。
【００８３】
図９、図１２および図１３などに示すように、この発明に従った面発光レーザ素子としての単位素子１は、窒化ガリウムからなるＧａＮ基板１３と、ＧａＮ基板上に形成された活性層としての多重量子井戸発光層２１と、ｐ型のコンタクト層としてのコンタクト層２５、２９と、オーミック接合層３７と、透明性電極としての透明性電極層３９とを備える。ｐ型のコンタクト層２５、２９は、ＧａＮ基板上に形成され、活性層から出射したレーザ光の光路上に位置する。オーミック接合層３７は、コンタクト層２５（図１２、図１３参照）またはコンタクト層２９（図９参照）上に接触するように形成される。透明性電極層３９は、オーミック接合層３７上に接触するように形成される。コンタクト層２５、２９は、ＩｎXＧａ1‐XＮ（０≦Ｘ≦１）という組成の材料を主成分とする。このようにすれば、コンタクト層２５またはコンタクト層２９と透明性電極層３９との電気的な接続を、オーミック接合層３７により実現できる。そのため、十分な導電性を有する透明性電極層３９を用いることで、コンタクト層２５の相対的に広い領域へオーミック接合層を介して電流を供給できる。この結果、比較的大面積の発光領域（電流狭窄層２７に形成された開口部）を実現できる。
【００８４】
上記単位素子１は、多重量子井戸発光層２１上に形成されたｐ型のクラッド層２３を備えていてもよい。コンタクト層２５はクラッド層２３上に形成されていてもよい。上記単位素子１において、透明性電極層３９は、透明導電酸化物層からなる電流拡散層であってもよい。また、上記単位素子１において、透明性電極層３９は、インジウムとスズとの混晶酸化物（ＩＴＯ）およびインジウムと亜鉛との混晶酸化物（ＩＤＸ）のいずれか一方を含んでいてもよい。この場合、上記のような材料を用いることで透明性電極層３９を容易に形成できる。なお、透明性電極層３９を構成する材料としては、透明性あるいは半透明性であって、導電性を有するものであれば任意の材料を利用できる。
【００８５】
上記単位素子１において、オーミック接合層３７は、コンタクト層２９におけるキャリア濃度より高い濃度でｎ型のキャリアがドープされたｎ＋窒化ガリウム（ｎ＋ＧａＮ）層を含む、ｐ+−ＧａＮコンタクト層との間のトンネル接合ダイオード構造であってもよい。この場合、トンネル接合ダイオード構造を利用してオーミック接合層３７を容易に形成できる。
【００８６】
上記単位素子１において、オーミック接合層３７は、図１１に示すように、コンタクト層２９を構成する材料からなる第１の層としての材質層４３と、透明性電極層３９を構成する材料からなる第２の層としての材質層４１とを交互に積層した超格子構造であってもよい。この場合、超格子構造を利用してオーミック接合層３７を容易に形成できる。
【００８７】
上記単位素子１において、オーミック接合層３７は、図１２に示すように、金、白金、パラジウム、ニッケルからなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属薄膜構造であってもよい。金属薄膜構造からなるオーミック接合層３７の厚みは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。この場合、金属薄膜構造を利用してオーミック接合層３７を容易に形成できる。なお、金属薄膜構造からなるオーミック接合層３７の厚みは、好ましくは２ｎｍ以上３ｎｍ以下である。
【００８８】
上記単位素子１において、ＧａＮ基板１３はｎ型の導電性を有している。上記単位素子１は、ＧａＮ基板１３においてオーミック接合層３７が形成された表面側と反対側に位置する裏面上に形成された、電流を注入するためのｎ型の電極１１をさらに備えている。ＧａＮ基板１３の表面側における面発光レーザ素子の表面積（図８に示した単位素子１の面積）に対する、ＧａＮ基板１３の表面側において発光する領域（図９などの電流狭窄層２７に形成された幅Ｄ１の開口部）の面積の割合が１０％超えであってもよい。この場合、大きな発光領域が必要とされるような用途に適した面発光レーザ素子の単位素子１を実現できる。また、ＧａＮ基板が導電性を有しているため、上記電極１１をＧａＮ基板の裏面側に配置できる。そのため、発光面側であるＧａＮ基板１３の表面側に当該電極１１を配置する必要が無いため、ＧａＮ基板の表面側において発光領域の大きさを十分大きくする事ができる。
【００８９】
この発明に従った面発光レーザアレイは、図１９に示すように、上記単位素子１（図１８参照）を複数個集積することにより形成される面発光レーザアレイであって、共通するＧａＮ基板１３上に、複数個の単位素子１を構成するオーミック接合層３７を形成した状態で、複数個の単位素子１が集積されている。複数個の単位素子１からの合計の発光強度は１０ｍＷを超える。この場合、十分大きな発光強度を必要とする用途に適用可能な面発光レーザアレイを実現できる。また、集積する単位素子１の個数や配置を任意に変更することで、光源の形状や出力を任意に変更できる。
【００９０】
上記面発光レーザアレイにおいて、図１９に示すように、複数個の面発光レーザ素子としての単位素子１は規則的に（たとえばマトリックス状に）配置されていてもよい。この場合、面発光レーザアレイの全体として比較的均一にレーザ光を出射することができる。
【００９１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態１を示す平面模式図である。
【図２】図１に示した単位素子の部分拡大平面模式図である。
【図３】図１の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。
【図４】図１〜３に示した面発光レーザ素子の単位素子を用いた面発光レーザアレイを示す平面模式図である。
【図５】図１〜図３に示した本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態１の変形例を示す平面模式図である。
【図６】本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態２を示す平面模式図である。
【図７】図６の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面模式図である。
【図８】本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態３を示す平面模式図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸにおける断面模式図である。
【図１０】図８および図９に示した面発光レーザ素子の単位素子を利用した面発光レーザアレイを示す平面模式図である。
【図１１】図８および図９に示した面発光レーザ素子におけるオーミック接合層の変形例を説明するための部分断面模式図である。
【図１２】図８および図９に示した本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態３の第２の変形例を示す断面模式図である。
【図１３】本発明による面発光レーザ素子の単位素子の実施の形態３の第３の変形例を説明するための断面模式図である。
【図１４】比較例としての面発光レーザ素子の単位素子の部分平面模式図である。
【図１５】図１４の線分ＸＶ−ＸＶにおける断面模式図である。
【図１６】アレイ状に形成した面発光レーザ素子の単位素子の平面形状を示す平面模式図である。
【図１７】図１６に示した単位素子を２個×５０個のアレイ状に形成した面発光レーザアレイの平面模式図である。
【図１８】面発光レーザアレイを構成する単位素子を示す平面模式図である。
【図１９】図１８に示した単位素子を用いて形成された面発光レーザアレイの平面模式図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  単位素子、３  パッド、５  リング電極、７  誘電体ミラー、９  開口部、１１  ｎ型電極、１３  ｎ−ＧａＮ基板、１５  バッファ層、１７，３３  ＤＢＲ、１９，２３  クラッド層、２１  多重量子井戸発光層、２５，２９  コンタクト層、２７  電流狭窄層、３１  ボンディングワイヤ、３５  絶縁化領域、３７  オーミック接合層、３９  透明性電極層、４１，４３  材質層、４５  発光領域、１５０  端面、１５２  サファイア基板。
【図１】
2006121010.tif 000004
【図２】
2006121010.tif 000005
【図３】
2006121010.tif 000006
【図４】
2006121010.tif 000007
【図５】
2006121010.tif 000008
【図６】
2006121010.tif 000009
【図７】
2006121010.tif 000010
【図８】
2006121010.tif 000011
【図９】
2006121010.tif 000012
【図１０】
2006121010.tif 000013
【図１１】
2006121010.tif 000014
【図１２】
2006121010.tif 000015
【図１３】
2006121010.tif 000016
【図１４】
2006121010.tif 000017
【図１５】
2006121010.tif 000018
【図１６】
2006121010.tif 000019
【図１７】
2006121010.tif 000020
【図１８】
2006121010.tif 000021
【図１９】
2006121010.tif 000022