(57)【要約】      （修正有）【課題】活性層内での電流拡散の抑制が可能な垂直共振器型発光素子を提供する。【解決手段】垂直共振器型発光素子は、第１反射器１３と、その上に順に形成された、第１導電型の第１半導体層１５、活性層１７、第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２半導体層１８及び第２導電型の第３半導体層からなる半導体構造層ＳＭＣと、第３半導体層上に形成された透明電極２３と、透明電極上に形成され第１反射器とともに半導体構造層を挟む第２反射器２５と、を有する。第３半導体層は第２半導体層上に突出して透明電極に覆われるように形成されたメサ状構造体１９Ａである。発光素子は、第２半導体層上にメサ状構造体を包囲しつつ密着して透明電極に接するように形成され且つ第２半導体層の成分由来の酸化物からなる絶縁膜２０と、絶縁膜上においてメサ状構造体を包囲して貫通開口部を画定するように形成された絶縁層２１と、からなる電流狭窄層を更に有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反射器と、
前記第１反射器上に順に形成された、第１導電型の第１半導体層、活性層、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２半導体層及び前記第２導電型の第３半導体層からなる半導体構造層と、
前記第３半導体層上に形成された透明電極と、
前記透明電極上に形成された第２反射器と、を有し、
前記第１反射器と前記第２反射器は前記半導体構造層を挟んでおり、
前記第３半導体層は前記第２半導体層上に突出して前記透明電極に覆われるように形成されたメサ状構造体であり、
前記第２半導体層上に前記メサ状構造体を包囲しつつ前記透明電極に接するように形成され且つ前記第２半導体層の成分由来の酸化物からなる絶縁膜と、前記絶縁膜上において前記メサ状構造体を包囲して貫通開口部を画定するように形成された絶縁層と、からなる電流狭窄層を更に有することを特徴とする垂直共振器型発光素子。
【請求項２】
前記第１半導体層はｎ型ＧａＮ系半導体からなり、前記第２半導体層はアルミニウムを含むｐ型ＧａＮ系半導体からなり、前記第３半導体層はｐ型ＧａＮ系半導体からな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。
【請求項３】
前記第２半導体層は、アルミニウムを含むｐ型ＧａＮ系半導体の障壁層とｐ型ＧａＮ系半導体の井戸層とからなる多重量子障壁からなることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項４】
前記第２半導体層は、前記第３半導体層側におけるアルミニウムの濃度が前記活性層側におけるアルミニウムの濃度よりも高いことを特徴とする請求項２又は３に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項５】
前記第３半導体層の前記メサ状構造体は円錐台形状を有し、前記透明電極と前記絶縁膜の接触部が円環状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項６】
前記メサ状構造体の膜厚は一定であり、前記メサ状構造体は前記絶縁膜に向かって連続的に薄くなるテーパー状の側面を有することを特徴とする請求項５に記載の垂直共振器型発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL：vertical cavity surface emitting laser）等の垂直共振器型発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザは、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半導体レーザである。例えば、特許文献１には、図７に示すように、基板１１上の第１反射器１３と第２反射器２５との間に半導体構造層ＳＭＣ（ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる）を挟み、半導体構造層ＳＭＣと第２反射器２５との間に、電流狭窄構造として開口部ＯＰ１を有する絶縁層２１と透光性電極２３を配置した垂直共振器型面発光レーザが開示されている。透光性電極の開口部と活性層を挟んで互いに対向する反射鏡は、共振器を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許5707742号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の垂直共振器面発光レーザでは、対向電極２９Ｐ，２９Ｎ間に電流れが印加されたとき出射開口部ＯＰ１の電流狭窄構造において電流狭窄された電流は活性層に至る前に横方向拡散が大きくなり、電流狭窄部（開口部）から広がる（三角矢印参照）。これは無効電流となり、特に微小アレイデバイスでは無効電流の割合が大幅に増加して、閾値電流の増加や発光効率の低下要因となる。さらに開口部ＯＰ１縁付近のＩＴＯ透光性電極は開口部の外側へ拡散する電流の経路となるため電流密度が上昇しやすく、電極劣化を招く問題がある。よって、従来の垂直共振器面発光レーザでは、活性層内での電流拡散の抑制手法が必要となっている。
【０００５】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、活性層内での電流拡散の抑制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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の垂直共振器型発光素子は、第１反射器と、
前記第１反射器上に順に形成された、第１導電型の第１半導体層、活性層、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２半導体層及び前記第２導電型の第３半導体層からなる半導体構造層と、
前記第３半導体層上に形成された透明電極と、
前記透明電極上に形成された第２反射器と、を有し、
前記第１反射器と前記第２反射器は前記半導体構造層を挟んでおり、
前記第３半導体層は前記第２半導体層上に突出して前記透明電極に覆われるように形成されたメサ状構造体であり、
前記第２半導体層上に前記メサ状構造体を包囲しつつ前記透明電極に接するように形成され且つ前記第２半導体層の成分由来の酸化物からなる絶縁膜と、前記絶縁膜上において前記メサ状構造体を包囲して貫通開口部を画定するように形成された絶縁層と、からなる電流狭窄層を更に有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施例である垂直共振器面発光レーザの一部を模式的に示す概略断面図である。
【図２】図１の点線部の断面構造を示す概略拡大図である。
【図３】本発明の実施例の垂直共振器面発光レーザの製造途中の構成の一部を説明する概略部分断面図である。
【図４】本発明の実施例である垂直共振器面発光レーザの絶縁層の貫通開口部内の絶縁膜の開口縁部を説明するための構成を説明するための概略上面図である。
【図５】本発明の実施例の垂直共振器面発光レーザのＭＱＷ活性層、電子ブロック層及びｐ型半導体のメサ状構造体の部分における伝導帯のエネルギーバンド図である。
【図６】本発明の実施例の垂直共振器面発光レーザの変形例のＭＱＷ活性層、電子ブロック層及びｐ型半導体のメサ状構造体の部分における伝導帯のエネルギーバンド図である。
【図７】従来の垂直共振器面発光レーザの概略部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の垂直共振器型発光素子の一例として垂直共振器面発光レーザ（以下、単に面発光レーザともいう）について図面を参照しつつ説明する。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。
【実施例】
【０００９】
図１は、本発明による実施例の面発光レーザの一部を示す概略断面図を示す。図２は、図１の点線部の断面構造を示す概略拡大図である。
【００１０】
図１、図２に示すように、面発光レーザ１０は、たとえば、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る導電性の基板１１上に順に形成された、導電性の第１反射器１３と、ｎ型半導体層１５（第１半導体層）、量子井戸層（例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮの複数ペア）を含む活性層１７、電子ブロック層１８（第２半導体層）及びｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａ（第３半導体層）から成る積層構造を有する。積層構造における第１反射器１３並びにｎ型半導体層１５、活性層１７、電子ブロック層１８及びｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａからなる半導体構造層ＳＭＣは、ＧａＮ系半導体からエピタキシー成長法により構成されている。電子ブロック層１８にはＧａＮよりもバンドギャップエネルギーが大きい材料、たとえばＡｌＧａＮ等の窒化アルミニウムガリウム系半導体層を用いることができる。
【００１１】
ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａは電子ブロック層１８上に突出するように形成されたｐ型半導体のメサ状構造体である。
【００１２】
面発光レーザ１０は、さらに、電子ブロック層１８上にｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａを包囲しつつ密着して開口縁部ＯＰ２を画定するように形成された絶縁膜２０を有する。
【００１３】
面発光レーザ１０は、またさらに、絶縁膜２０上においてｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａを包囲して貫通開口部ＯＰ１を画定するように形成された絶縁層２１を有する。
【００１４】
面発光レーザ１０は、また、半導体構造層ＳＭＣのｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａと、絶縁膜２０と、絶縁層２１との上に順に形成された導電性の透明電極２３と、第２反射器２５と、を有している。
【００１５】
［ｐ型半導体のメサ状構造体］
図３は、本発明の実施例の垂直共振器面発光レーザの製造途中の構成の一部を説明する概略部分断面図である。なお、図において基板１１と第１反射器１３と省略して、形成された半導体構造層ＳＭＣ上に絶縁層２１が形成されるまでの工程を説明する。
【００１６】
図３Ａに示されるように、半導体構造層ＳＭＣは、ｐ型半導体層１９まで有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等を用いて形成される。
【００１７】
図３Ｂに示されるように、ｐ型半導体層１９をドライエッチングによって選択的に除去してｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａを形成する。ここで、ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａの側壁は徐々に薄くなるようにテーパー状断面形状を有するように形成されてもよい。後工程で成膜される透明電極の断線を防止するためである。
【００１８】
その後、図３Ｃに示されるように、アニール工程（たとえばＯ2雰囲気、４５０℃）を実施して、ＡｌＧａＮ等の電子ブロック層１８の露出した部分（ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａの周囲）を酸化させ、Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０（ＡｌxＯyＧａzＮ1-x-y-z）を電流狭窄層として形成する。絶縁膜２０はＡｌＧａＮ電子ブロック層１８のＡｌ成分由来の酸化物からなる絶縁膜である。
【００１９】
その後、Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０上に絶縁層２１のＳｉＯ2を一様に形成して、メサ状構造体１９Ａとその一部周囲以外の絶縁層２１上に所定のレジストパターンを設け、メサ状構造体１９Ａとその一部周囲の絶縁層２１を除去する。そして図３Ｄに示されるように、絶縁膜２０上においてｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａを包囲する貫通開口部ＯＰ１が形成される。
【００２０】
以上の工程により、ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａの直径が絶縁層２１の貫通開口部ＯＰ１の直径より小となっても、Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０が電流狭窄層（開口縁部ＯＰ２）となるため電子ブロック層１８における静電破壊を防ぐことができる。本構造により、ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａ内だけで電流拡散を抑制しつつ、生産性の高いＶＣＳＥＬ素子を実現できる。
【００２１】
図４は、面発光レーザ１０における絶縁層２１の貫通開口部ＯＰ１内の絶縁膜２０の開口縁部ＯＰ２を説明するための第２反射器２５の側から第２反射器２５を省略して眺めた概略上面透視図である。ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａは円錐台形状を有し、透明電極２３と絶縁膜２０の接触部が円環状である
開口縁部ＯＰ２の形状としては、図４に示すように、ビーム中心までの距離を等距離とすることでガウシアンビームを得るために、直径が１〜１５μｍ、好ましくは３〜１０μｍの円形であることが好ましい。これにより、活性層１７に均一に電流を注入し且つ光ビームの均一な閉じ込めを可能とする。なお、開口縁部ＯＰ２の形状は、円形以外の楕円形、多角形等、円形に近似する形状であってもよい。
【００２２】
図４に示すように、メサ状構造体１９Ａと絶縁膜２０の開口縁部ＯＰ２との間の幅ｄだけ両者のアライメントの余裕を維持することができる。たとえばｄ＝１〜２μｍのとき、出射開口径（ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａの直径）を８μｍとすると、絶縁層２１の貫通開口部ＯＰ１の直径を１０〜１２μｍとすることができる。Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０のみでも電流狭窄は可能であるが、Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０は厚さ数ｎｍ程であるため広域にわたって安定的に形成することが難しく、Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０に加えＳｉＯ2の絶縁層２１（１００ｎｍ厚程度）による２層構成の電流狭窄構造のほうが製造歩留りの低下を防止できるため好ましい。
【００２３】
透明電極２３は、絶縁層２１の貫通開口部ＯＰ１を覆い、ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａに接するように、絶縁膜２０と絶縁層２１とｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａに亘って形成されている。絶縁膜２０は、その開口縁部ＯＰ２（ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａと絶縁膜２０との境界）の外側でｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａへの電流注入を阻害する。開口縁部ＯＰ２内部では透明電極２３からｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａを介して活性層１７に電流を注入する。
【００２４】
［電子ブロック層］
図５は、本実施例の垂直共振器面発光レーザのＭＱＷ活性層１７、電子ブロック層１８及びｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａの部分における伝導帯のエネルギーバンド図である。
【００２５】
活性層１７からｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａへの電子オーバーフローの抑制には、電子ブロック層１８のＡｌ組成を増大させ、バンドギャップエネルギーを増大させることが好ましい。よって、図５に示すように、電子ブロック層１８は、活性層１７側からｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａへ近づくにつれてＡｌ組成が増大するようなＡｌ組成傾斜ＣＧを有する。Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０を形成する際は、露出されるｐ−ＧａＮ側の電子ブロック層１８のＡｌ組成が高いほうが好ましいからである。
【００２６】
図６は、本実施例の垂直共振器面発光レーザの変形例のＭＱＷ活性層１７、電子ブロック層１８及びｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａの部分における伝導帯のエネルギーバンド図である。
【００２７】
電子注入効率の改善は、電子ブロック層１８に多重量子障壁（MQB:Multiquantum Barrier）を用いることでも可能である。図６に（ＡｌＧａＮ（４ｎｍ厚）／ＧａＮ（４ｎｍ厚））×２．５によるMQBを用いた電子ブロック層１８付近の伝導帯のエネルギーバンド図を示す。本変形例で示すのはMQBである。ＡｌＧａＮが薄すぎると、所望のＡｌ組成が得られず、電子ブロック層１８として機能しなくなるため注意が必要である。Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０を形成する際、図６のようにMQBの最終層（ｐ−ＧａＮ側のＡｌＧａＮバリアＢＲのＡｌ組成を増大させておくことが好ましい。Ａｌ酸化膜の絶縁膜２０を形成する際は、露出されるｐ−ＧａＮ側の電子ブロック層１８のＡｌ組成が高いほうが好ましいからである。
【００２８】
［他の構成要素］
図１に示すように、電流を注入するＰ電極２７Ｐは、ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａの周囲において透明電極２３と電気的に接続されるように形成されている。また、Ｐパッド電極２９Ｐは、半導体構造層ＳＭＣを含む大きなメサ構造の周囲においてＰ電極２７Ｐと電気的に、接続されるように絶縁性の第２反射器２５を貫通するように形成され、透明電極２３を、Ｐ電極２７Ｐを介して外部に電気的に接続できるようにしてある。
【００２９】
図１に示すように、Ｎ電極２９Ｎは、基板１１の裏面に形成されているが、図示しないが、Ｐパッド電極２９Ｐ側のＰパッド電極２９Ｐの周囲においてと電気的に接続されるように、Ｎ電極２９Ｎが絶縁性の第２反射器２５を貫通するように形成され、ｎ型半導体層１５を外部に電気的に接続できるようにしてもよい。
【００３０】
開口縁部ＯＰ２と活性層１７を挟んで互いに対向する第１反射器１３及び第２反射器２５の部分は、共振器を構成している。共振器の間における、透明電極２３の直下に形成された開口縁部ＯＰ２がレーザビームの出射口に対応する。レーザビームは、第１反射器１３と第２反射器２５のいずれか側から放射される。
【００３１】
本実施例では、第１反射器１３は、ＧａＮ系半導体の多層膜からなる分布ブラッグ反射器（DBR:Distributed Bragg Reflector）として形成されている。第１反射器１３として、例えば、ＧａＮ／ＩｎＡｌＮを４０ペア積層して構成することができる。第２反射器２５は、誘電体膜の多層からなる分布ブラッグ反射器として形成されている。第２反射器２５と第１反射器１３とが半導体構造層ＳＭＣを挟み、共振構造を画定する。第１反射器１３及び第２反射器２５は、それらの所望の導電性、絶縁性、反射率を得るために、屈折率が異なる２つの薄膜を交互に複数回積層する多層膜のペア数や、材料、膜厚等を適宜調整して構成される。絶縁性の反射器であれば、例えば、誘電体薄膜材料としては、金属、半金属等の酸化物や、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＳｉＮ等の窒化物がある。屈折率が異なる少なくとも２つの誘電体薄膜、例えば、ＳｉＯ2／Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＯ2／ＺｒＯ2、ＳｉＯ2／ＡｌＮ、又はＡｌ2Ｏ3／Ｎｂ2Ｏ5のペアを周期的に積層することにより絶縁性の反射器を得ることができる。
【００３２】
半導体構造層ＳＭＣは、第１反射器１３上に順に形成された、ｎ型半導体層１５、量子井戸層を含む活性層１７及びｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａからなる。本実施例においては、第１反射器１３及び半導体構造層ＳＭＣの各層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成を有する。例えば、第１反射器１３は、ＡｌＩｎＮの組成を有する低屈折率半導体層及びＧａＮの組成を有する高屈折率半導体層の組（ペア）が交互に複数回積層された構造を有する。また、本実施例においては、活性層１７は、ＩｎＧａＮの組成を有する井戸層（図示せず）及びＧａＮの組成を有する障壁層（図示せず）の組（ペア）が交互に積層された量子井戸構造を有する。また、ｎ型半導体層１３は、ＧａＮの組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉを含む。ｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａは、ＧａＮの組成を有し、Ｍｇ等のｐ型不純物を含む。これにより、ｎ型半導体層１３とｐ型半導体のメサ状構造体１９Ａは、互いに反対の導電型となる。また、発光波長が４００〜４５０ｎｍとなるように半導体構造層ＳＭＣを設計できる。
【００３３】
また、第１反射器１３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等を用いて形成されている。なお、基板１１と第１反射器１３との間にバッファ層（図示せず）が形成されていてもよい。
【００３４】
絶縁層２１の組成材料としては例えば、ＳｉＯ2、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2等の酸化物、ＳｉＮ、ＡｌＮ及びＡｌＧａＮ等の窒化物等が用いられる。好ましくは、ＳｉＯ2が絶縁層２１に用いられる。絶縁層２１の膜厚は、５〜１０００ｎｍ、好ましくは、１０〜３００ｎｍである。
【００３５】
電導性の透明電極２３の透光性の組成材料としては例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（In-doped ZnO）、ＡＺＯ（Al-doped ZnO）、ＧＺＯ（Ga-doped ZnO）、ＡＴＯ（Sb-doped SnO2）、ＦＴＯ（F-doped SnO2）、ＮＴＯ（Nb-doped TiO2）、ＺｎＯ等が用いられる。好ましくは、ＩＴＯが透明電極２３に用いられる。透明電極２３の膜厚は、３〜１００ｎｍ、また、好ましくは、２０ｎｍ以下である。透明電極２３は電子ビーム蒸着法や、スパッタ法等によって成膜できる。
【００３６】
以上の本発明の面発光レーザによれば、横方向電流拡散の抑制による閾値電流の低減と発光部への電流注入の均一化による透明電極の劣化抑制とを達成でき、面発光レーザ自体の閾値電流（消費電力）が低減されるだけでなく、Ａｌ酸化膜の絶縁膜とＳｉＯ2絶縁層との電流狭窄２層構造により、歩留りの改善面発光レーザの製造歩留まりが向上する。特に、面発光レーザのアレイ化で複数の面発光レーザの発光部間の閾値電流のバラつきの低減に効果がある。該面発光レーザは自動車前照灯や灯光器に有用である。
【００３７】
なお、本発明の何れの実施例においても、半導体構造層ＳＭＣがＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる場合について説明したが、結晶系はこれに限定されない。また、上記した実施例を適宜、改変及び組合せてもよい。
【００３８】
また、実施例において第１反射器１３は基板１１上に形成された半導体であったが、これに限らず、基板１１の半導体構造層ＳＭＣとは反対の面に形成してもよい。その場合、第２反射器同様に誘電体薄膜材料で設けてもよい。第１反射器１３とともに半導体構造層ＳＭＣを挟み共振構造を画定していればよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  面発光レーザ
１１  基板
１３  第１反射器
１５  ｎ型半導体層（第１半導体層）
１７  活性層
１８  電子ブロック層（第２半導体層）
１９Ａ  ｐ型半導体のメサ状構造体（第３半導体層）
２１  絶縁層
２３  透明電極
２０  絶縁膜
２５  第２反射器
ＯＰ１  貫通開口部
ＳＭＣ  半導体構造層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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