(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１多層膜反射器と、
前記第１多層膜反射器上に形成され、第１の導電型の半導体層、活性層及び前記第１の導電型とは反対の導電型の第２の導電型の半導体層からなる半導体構造層と、
前記第２の導電型の半導体層上に形成された絶縁性の電流狭窄層と、
前記電流狭窄層に形成された前記電流狭窄層を貫通する貫通開口部と、
前記貫通開口部及び前記電流狭窄層を覆い、前記貫通開口部を介して前記第２の導電型の半導体層に接する透明電極と、
前記透明電極上に形成された第２多層膜反射器と、
前記貫通開口部の縁に接して形成され且つ前記電流狭窄層と前記透明電極とが混合した組成混合層と、を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】
前記組成混合層が前記第２の導電型の半導体層上に環状に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。
【請求項３】
前記電流狭窄層は前記組成混合層に向かって薄くなるテーパー状断面形状を有す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。
【請求項４】
前記電流狭窄層の前記テーパー状断面形状のテーパー角が０度を超え４５度以下の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項５】
前記電流狭窄層がＳｉＯ2から成り、前記透明電極が金属酸化物から成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項６】
前記組成混合層に隣接する前記貫通開口部の前記電流狭窄層の膜厚が２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項７】
前記電流狭窄層の前記貫通開口部に同軸で配された上部開口部を有し且つ前記電流狭窄層の前記テーパー状断面形状の部分の上において前記組成混合層に向かって薄くなるテーパー状断面形状を前記上部開口部の縁に有する絶縁層と、
前記上部開口部を覆い且つ前記透明電極に接する駆動用透明電極と、をさらに有することを特徴とする請求項３または４に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項８】
前記絶縁層の前記テーパー状断面形状のテーパー角は、前記電流狭窄層の前記テーパー状断面形状のテーパー角より大きいことを特徴とする請求項７に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項９】
前記透明電極と前記駆動用透明電極とにそれぞれに独立して接続されたパッド電極と駆動用パッド電極とをさらに有することを特徴とする請求項７または８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、窒化物半導体層の少なくとも一方の表面に、開口部を有する絶縁層と、当該開口部を被覆するように当該絶縁層上に設けられた透光性電極と、当該透光性電極を介して当該開口部上に設けられた反射鏡と、を有する垂直共振器型面発光レーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２９６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
垂直共振器面発光レーザ等の垂直共振器型発光素子は、発光層を挟んで互いに対向する反射鏡を有し、この互いに対向する反射鏡によって共振器が構成されている。垂直共振器面発光レーザにおいては、反射鏡は、例えば、屈折率が異なる２つの薄膜を交互に複数回積層することで形成することができる。
【０００５】
垂直共振器面発光レーザの発振閾値電流を下げるためには、反射鏡が高い反射特性を有することが望まれる。また、垂直共振器面発光レーザに印加された電流が損失なく発光層に注入されることが好ましい。
【０００６】
しかしながら、従来の垂直共振器型面発光レーザにおいて、電流が損失なく発光層に注入される絶縁層の開口部について十分には考慮されていない。
【０００７】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、閾値電流の低下可能で製造歩留まりが向上でき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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の垂直共振器型発光素子は、基板上に形成された第１多層膜反射器と、
前記第１多層膜反射器上に形成され、第１の導電型の半導体層、量子井戸層を含む活性層及び前記第１の導電型とは反対の導電型の第２の導電型の半導体層からなる半導体構造層と、
前記第２の導電型の半導体層上に形成された絶縁性の電流狭窄層と、
前記電流狭窄層に形成された前記電流狭窄層を貫通する貫通開口部と、
前記貫通開口部及び前記電流狭窄層を覆い、前記貫通開口部を介して前記第２の導電型の半導体層に接する透明電極と、
前記透明電極上に形成された第２多層膜反射器と、
前記貫通開口部の縁に接して形成され且つ前記電流狭窄層と前記透明電極とが混合した組成混合層と、を有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１である垂直共振器面発光レーザの構成を模式的に示す概略斜視図である。
【図２】図１のＸＸ線に亘る一部を模式的に示す垂直共振器面発光レーザの部分断面図である。
【図３】図２のＹ破線に囲まれる一部を模式的に示す垂直共振器面発光レーザの部分断面図である。
【図４】本発明の実施例１である垂直共振器面発光レーザ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１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断面図である。
【図６】本発明の実施例１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断面図である。
【図７】本発明による実施例１おける実験例のパルス電流の注入処理前後の面発光レーザの貫通開口部の電流狭窄層の縁部近傍を示す部分的断面ＴＥＭ像の図である。
【図８】本発明による実施例１おける実験例の完成した面発光レーザの閾値電流の変化を測定した結果を示すグラフである。
【図９】本発明による実施例２の垂直共振器面発光レーザの外観の概略斜視図である。
【図１０】図９のＸＸ線に亘る一部を模式的に示す垂直共振器面発光レーザの部分断面図である。
【図１１】本発明の実施例２の変形例である垂直共振器面発光レーザの外観の概略斜視図である。
【図１２】本発明による実施例３の垂直共振器面発光レーザの外観の概略斜視図である。
【図１３】本発明による実施例３の変形例である垂直共振器面発光レーザの構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明者は、絶縁層である電流狭窄層の開口部に注目して、この開口部の側壁と面発光レーザの発振閾値電流の関連性とを研究して実験を行い、閾値電流の低減可能な構造を見出し、本発明に至った。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１である面発光レーザ１０の構成を模式的に示す概略斜視図である。図１に示すように、この面発光レーザ１０はレーザビームＢＭの出射口ＥＰを備えている。この面発光レーザ１０は、半導体の基板１１上に形成された、共振部２０を有している。
【００１３】
図２は、図１の面発光レーザ１０のＸＸ線に亘る一部を模式的に示す部分断面図である。
【００１４】
面発光レーザ１０の各発光部は、図２に示すように、たとえば、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る導電性の基板１１上に形成された共振部２０は、導電性の第１多層膜反射器１３と、半導体構造層ＳＥＭと、絶縁性の電流狭窄層２１と、透明電極２３と、ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏと、第２多層膜反射器２５と、を有している。半導体構造層ＳＥＭはＧａＮ系半導体から構成されている。基板１１のｐコンタクト層ｐ−Ｃｏの反対側の表面にｎコンタクト層ｎ−Ｃｏが形成されている。共振部２０の透明電極２３の直下に形成された電流狭窄層の貫通開口部ＯＰ１（透明電極２３と半導体構造層ＳＥＭとの界面）がレーザビームＢＭの出射口ＥＰに対応する。
【００１５】
本実施例では、第１多層膜反射器１３と第２多層膜反射器２５とは、分布ブラッグ反射器（DBR:Distributed Bragg Reflector）として形成されている。第２多層膜反射器２５と第１多層膜反射器１３とが半導体構造層ＳＥＭを挟み、共振構造を画定する。第１多層膜反射器１３と第２多層膜反射器２５とは、その所望の導電性、絶縁性、反射率を得るために、材料、膜厚、多層膜のペア数等を適宜調整して構成される。絶縁性の多層膜反射器であれば、誘電体多層膜から形成される。例えば、反射器用の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等の窒化物等がある。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、Ａｌ2Ｏ3／Ｎｂ2Ｏ5を周期的に交互に積層することにより絶縁性の多層膜反射器を得ることができる。
【００１６】
図３は、図２の面発光レーザ１０の破線に囲まれる一部を模式的に示す部分断面図である。
【００１７】
半導体構造層ＳＥＭは、第１多層膜反射器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型半導体層１９からなる。本実施例においては、第１多層膜反射器１３及び半導体構造層ＳＥＭ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多層膜反射器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１５は、ＧａＮの組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉを含む。ｐ型半導体層１９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１５とｐ型半導体層１９は、互いに反対の導電型となる。
【００１８】
なお、本実施例においては、基板１１と第１多層膜反射器１３との間にバッファ層（図示せず）が形成されている。また、第１多層膜反射器１３及び半導体構造層ＳＥＭ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。
【００１９】
絶縁性の電流狭窄層２１は、ｐ型半導体層１９上に形成され、貫通開口部ＯＰ１を有する。透明電極２３は、貫通開口部ＯＰ１を覆い、ｐ型半導体層１９に接するように、電流狭窄層２１とｐ型半導体層１９に亘って形成されている。電流狭窄層２１は、透明電極２３から貫通開口部ＯＰ１を介して活性層１７に電流を注入し、貫通開口部ＯＰ１以外では電流注入を阻害する。
【００２０】
図４は、面発光レーザ１０の構成を説明するためのビーム放射側から眺めた概略上面図である。
【００２１】
電流狭窄層２１には、図３及び図４に示すように、貫通開口部ＯＰ１を画定する位置すなわちその縁に配置された、電流狭窄層２１の組成（成分）と透明電極２３の組成（成分）とから成る組成混合層２４が環状に形成されている。環状の組成混合層２４の面積は貫通開口部ＯＰ１の面積の１％〜２０％、好ましくは５％以上であり、後述するテーパー角θによって適宜調整され得る。テーパー角θが小さいほど組成混合層２４の面積は大きくなる。
【００２２】
電流狭窄層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が電流狭窄層２１に用いられる。電流狭窄層２１の膜厚は、５〜１０００ｎｍ、好ましくは、１０〜３００ｎｍである。
【００２３】
透明電極２３の組成材料としては例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、Ｉｎ2Ｏ3、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。
【００２４】
貫通開口部ＯＰ１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、貫通開口部ＯＰ１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。
【００２５】
図３に示すように、電流狭窄層２１は組成混合層２４（貫通開口部ＯＰ１の縁）に向かって薄くなるテーパー状断面形状を有する。電流狭窄層２１のテーパー状断面形状のテーパー角θは０度を超え４５度以下の範囲にあることが好ましい。
【００２６】
［実験例］
面発光レーザ１０において、発光波長が４００〜４５０ｎｍとなるように半導体構造層ＳＥＭを設計した。電導性ミラーの第１多層膜反射器１３がＧａＮ／ＩｎＡｌＮの４０ペア積層から成り、さらに、誘電体ミラーの第２多層膜反射器２５がＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2の８ペア積層から成るように設計した。
【００２７】
基板上に所定の半導体構造層ＳＥＭをＭＯＣＶＤ法で作成し、ｐ−ＧａＮ半導体層１９上に所定厚のＳｉＯ2電流狭窄層２１に、エッチング法またはリフトオフ法によって貫通開口部ＯＰ１（外径１０μｍ）となるべき部分のみＳｉＯ2を化学処理によって除去し貫通させた。
【００２８】
具体的にリフトオフ法によって形成した場合の貫通開口部ＯＰ１の電流狭窄層２１の縁部は図５に示すようなテーパー角θのテーパー状断面となる。
【００２９】
その後、電流狭窄層２１と貫通開口部ＯＰ１の上に、所定厚のＩＴＯ透明電極を電子ビーム蒸着法によって形成し、さらに、ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏと第２多層膜反射器２５形成し、図６に示すように、組成混合層２４のない未完の面発光レーザ１０を作成した。
【００３０】
次に、未完の面発光レーザ１０毎に、図６に示すように、そのｎコンタクト層とｐコンタクト層ｐ−Ｃｏに亘って、素子に通常レーザ発光させる電流を超えるパルス電流を注入する処理（以下、過大パルス通電処理）を行い、貫通開口部の縁に沿って、直径１０μｍ外径の幅２００〜４００ｎｍｎの組成混合層２４を環状に形成した。
【００３１】
図７に、過大パルス通電処理の前後の面発光レーザの貫通開口部の電流狭窄層の縁部近傍の部分的断面ＴＥＭ像（ａ）（ｂ）を示す。
【００３２】
図７の断面ＴＥＭ像に示すように、電流狭窄層ＳｉＯ2の開口部の縁のテーパー角が小さいとき、過大パルス通電処理によって電流狭窄層ＳｉＯ2と透明電極ＩＴＯとの界面が変質し、組成混合（破線部分）が生じていることが分かる。
【００３３】
面発光レーザ１０に関して、過大パルス通電処理（注入電流：４０〜５０ｍＡ）によって組成混合を生じさせて完成した面発光レーザ（素子Ａ、素子Ｂ、素子Ｃ、素子Ｄ）の閾値電流の変化を測定した。図８にその結果をグラフに示す。図８の縦軸はパルス閾値電流（ｍＡ）であり、横軸は電流注入時間（sec）である。
【００３４】
以上の結果から、電流狭窄層２１と透明電極ＩＴＯの組成ＳｉＯ2とＩＴＯを混合させ組成混合層２４を形成することで、開口縁（組成混合層２４）における屈折率が変化し、更に閾値電流を低減させることができることが分かった。図８に示すように、閾値電流を低減させるだけでなく、当初パルスレーザ発振していなかった面発光レーザ（素子Ｃ、素子Ｄ）が発振に至ることが確認された。
【００３５】
なお、過大パルス通電処理によって組成混合を生じさせるため電流狭窄層２１のテーパー角を小さくする（すなわちテーパー角θを適宜調整する）には、開口部のＳｉＯ2層の除去にリフトオフ法を用いることが好ましいこと、さらに、電流狭窄層２１のＳｉＯ2層の膜厚が、少なくとも貫通開口部の縁近傍の縁部において２０ｎｍ以下の部分にて、透明電極２３のＩＴＯとＳｉＯ2の組成混合が顕著になることが実験で分かった。
【００３６】
以上、本実施例によれば、組成混合層２４を形成する過大パルス通電処理の通電時間によって閾値電流を制御できるため、製造中のウエハ内の複数の面発光レーザ１０の閾値電流を揃えることができ、面発光レーザのアレイ化における歩留まりの向上に特に有効となる。
【実施例２】
【００３７】
図９は、本発明による実施例２の１つの面発光レーザ１０の外観の概略斜視図を示す。図１０は、図９のＸＸ線に亘る一部を模式的に示す面発光レーザ１０の部分断面図である。
【００３８】
図１０に示すように、実施例２の面発光レーザ１０は、実施例１の電流狭窄層２１と透明電極２３に加え、絶縁層２１Ａと駆動用透明電極２３Ａと、をさらに有する以外、構成するその他の要素は実施例１と実質的に同一であり、同符号を付した構成、作用についての説明は省略する。
【００３９】
本実施例の面発光レーザ１０は、透明電極２３に接続された閾値電流調整電極２７とこれを外部に接続させるパッド電極２９とを有する。さらに、本実施例の面発光レーザ１０は、駆動用透明電極２３Ａに接続された駆動電極２７Ａとこれを外部に接続させる駆動用パッド電極２９とをさらに有する。このように、パッド電極の形成プロセス終了後に閾値電流の調整を行う場合は、閾値電流調整電極２７上の第２多層膜反射器２５を除去し、２つのパッド電極を用いて駆動側と閾値電流調整側で分離すればよい。閾値電流調整電極パッド２９は駆動用電極パッド２９Ａと素子の上面で電気的に絶縁されていれば開口部外のどこに設けてもよい。
【００４０】
本実施例において、絶縁層２１Ａは、電流狭窄層２１の貫通開口部ＯＰ１に同軸で配された環状の上部開口部ＯＰ２を有する。さらに絶縁層２１Ａは、電流狭窄層２１のテーパー状断面形状の部分の上において組成混合層２４に向かって薄くなるテーパー状断面形状を上部開口部ＯＰ２の縁に有する。
【００４１】
駆動用透明電極２３Ａは、絶縁層２１Ａの上部開口部ＯＰ２を覆い且つ透明電極２３に接して電気的に接続されている。
【００４２】
本実施例において、絶縁層２１Ａの上部開口部ＯＰ２の縁のテーパー角φは、電流狭窄層２１の開口部ＯＰ１の縁のテーパー角θより大きい。
【００４３】
ｐ型半導体層１９上の電流狭窄層２１はテーパー角θが小さくなるよう形成し、その上に透明電極２３を成膜する。透明電極２３は閾値電流調整のために用いる。すなわち、パッド電極２９から閾値電流調整電極２７を介して、透明電極２３とｐ型半導体層１９と界面に接する電流狭窄層２１（その縁の開口部）に過大なパルス電流を注入し、ジュール熱によって、電流狭窄層２１と透明電極２３とを混合させて組成混合層２４を形成する。
【００４４】
透明電極２３上の絶縁層２１Ａの上部開口部ＯＰ２はテーパー角φが大きくなるように例えばエッチング法によって形成され、その上に駆動用透明電極２３Ａを成膜する。駆動用透明電極２３Ａは面発光レーザ１０の駆動のために用いる。
【００４５】
図１１は、本発明による実施例２の面発光レーザを発光部として１６個の４×４でアレイ化して配置された面発光レーザ１０Ａの外観の概略斜視図を示す。
【実施例３】
【００４６】
図１２は、本発明による実施例３の面発光レーザ１０の部分断面図である。
【００４７】
図１２に示すように、実施例３の面発光レーザ１０は、実施例２の閾値電流調整用のパッド電極２９を設けない以外、構成するその他の要素は実施例２と実質的に同一であり、同符号を付した構成、作用についての説明は省略する。
【００４８】
図１２に示す透明電極２３に接続された閾値電流調整電極２７を形成するプロセス中に、組成混合層２４の形成による閾値電流の調整は行ってもよく、この場合、閾値電流調整電極２７は第２多層膜反射器２５によって埋めてしまってもよい。
【００４９】
また、変形例として、図１３に示すように、２層の透明電極を用いることで開口部の透明電極の膜厚が増大し、それに伴い吸収の増大が懸念されるため、開口部の駆動用透明電極２３Ａの一部分のＩＴＯ層を除去して、閾値電流調整用の透明電極２３を残す構成としてもよい。
【００５０】
以上の本発明の面発光レーザによれば、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、面発光レーザの製造歩留まりが向上し、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。
【００５１】
なお、本発明の何れの実施例においても、活性層１７を、多重量子井戸（MQW:Multiple Quantum Well）構造からなる活性層１７を有するように構成された面発光レーザにも適用が可能である。また、半導体構造層ＳＥＭ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。本発明はレーザに限らず垂直共振器型発光素子に用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  面発光レーザ
１３  第１多層膜反射器
１５  ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１７  活性層
１９  ｐ型半導体層（第２の半導体層）
２１  電流狭窄層
２４  組成混合層
２５  第２多層膜反射器
ＯＰ１  貫通開口部
ＳＥＭ  半導体構造層
ｎ−Ｃｏ  ｎコンタクト層
ｐ−Ｃｏ  ｐコンタクト層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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