(57)【要約】【課題】直列抵抗が小さく、高効率な面発光型半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】面発光型半導体レーザ素子は、基板１０１上に順次設けられた第１の反射鏡１０２、第１のスペーサ層１０４、活性層１０５、第２のスペーサ層１０６、及び第２の反射鏡１０８と、第１の電極１０９及び第２の電極１１０とを備えている。第１の反射鏡１０２及び第２の反射鏡１０８の少なくとも一方は、第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第１の透光性導電膜と、第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第２の透光性導電膜とが交互に積層されてなる分布ブラッグ反射鏡である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１のスペーサ層と、前記第１のスペーサ層上に形成された窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型の窒化物半導体からなる第２のスペーサ層と、前記第２のスペーサ上に形成された第２の反射鏡と、前記活性層の下方から前記活性層にキャリアを注入する第１の電極と、前記活性層の上方から前記活性層にキャリアを注入する第２の電極とを備え、
前記第１の反射鏡及び前記第２の反射鏡の少なくとも一方は、第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第１の透光性導電膜と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第２の透光性導電膜とが交互に積層されてなる第１の分布ブラッグ反射鏡であり、
前記第１の分布ブラッグ反射鏡は、前記第１の電極から前記活性層へのキャリア注入経路上、または前記第２の電極から前記活性層へのキャリア注入経路上に形成されている面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子において、
前記第１導電型はｐ型、前記第２導電型はｎ型であり、
少なくとも前記第１の反射鏡は、前記第１の分布ブラッグ反射鏡であり、
前記第１の電極または前記第２の電極には、光出射用の開口が形成されており、
前記第１の電極は、前記第１の反射鏡から見て前記第１のスペーサ層と逆の方向に位置している面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子において、
前記第１の反射鏡と、前記第１のスペーサ層との間に形成された導電性のコンタクト層をさらに備えている面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項２または３に記載の面発光型レーザ素子において、
前記第１の電極の上であって、前記第１の反射鏡の下に形成された導電性の基板をさらに備えている面発光型半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ素子において、
前記第１の透光性導電膜と前記第２の透光性導電膜とは、共に導電性酸化膜で構成されている面発光型半導体レーザ素子。
【請求項６】
請求項５に記載の面発光型半導体レーザ素子において、
前記第１の透光性導電膜はニオブを含む酸化チタンからなり、前記第２の透光性導電膜は酸化亜鉛からなる面発光型半導体レーザ素子。
【請求項７】
請求項１〜３、５、６のうちいずれか１つに記載の面発光型レーザ素子において、
前記第２の反射鏡の面のうち、前記活性層に向かう面に対向する面上に形成された第２導電型の基板をさらに備え、
前記第２のスペーサ層は、前記第２の反射鏡の側面及び前記活性層に向かう面を覆っているとともに、前記基板における前記活性層に向かう面の一部に接している面発光型半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の面発光型レーザ素子において、
前記第２の電極は、前記第２の反射鏡から見て前記活性層と逆の方向に位置している面発光型半導体レーザ素子。
【請求項９】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の面発光型レーザ素子において、
前記第２の電極は、前記第２の反射鏡から見て前記活性層と同じ方向に位置しており、前記第２のスペーサ層の一部を介して前記活性層にキャリアを注入する面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１０】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の面発光型レーザ素子において、
前記第２の電極は、前記第２の反射鏡が形成された前記第２のスペーサ層の面上に、前記第２の反射鏡を囲むように形成されている面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の面発光型レーザ素子において、
前記第１の反射鏡のみが前記第１の分布ブラッグ反射鏡であり、
前記第２の反射鏡は、第３の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第３の透光性導電膜と、前記第３の屈折率よりも小さい第４の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第４の透光性導電膜とが交互に積層されてなる第２の分布ブラッグ反射鏡である面発光型レーザ素子。
【請求項１２】
結晶成長用基板上に、第１導電型の窒化物半導体からなる第１のスペーサ層と、窒化物半導体からなる活性層と、第２導電型の窒化物半導体からなる第２のスペーサ層とを順次形成する工程と、
第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第１の透光性導電膜と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第２の透光性導電膜とが交互に積層されてなる第１の分布ブラッグ反射鏡である、第１の反射鏡を前記第２のスペーサ層上に形成する工程と、
前記第１の反射鏡上に、支持基板を張り合わせる工程と、
前記結晶成長基板を除去する工程と、
前記第１のスペーサ層における前記結晶成長基板を除去した面上に、第２の反射鏡を形成する工程と、
前記支持基板における、前記第１の反射鏡に向かう面と対向する面上に、第１の電極を形成する工程と、
前記第１のスペーサ層における前記結晶成長基板を除去した面上、または前記第２の反射鏡における前記第１のスペーサ層に向かう面に対向する面上に、第２の電極を形成する工程とを備えている面発光型レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の面発光型レーザ素子の製造方法において、
前記第２の電極は、前記第２の反射鏡における前記第１のスペーサ層に向かう面と対向する面上に形成され、
前記第２の反射鏡は、第３の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第３の透光性導電膜と、前記第３の屈折率よりも小さい第４の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第４の透光性導電膜とが交互に積層されてなる第２の分布ブラッグ反射鏡である面発光型レーザ素子の製造方法。
【請求項１４】
基板の上面上に第１の反射鏡を形成する工程と、
前記第１の反射鏡の一部を除去し、前記基板の上面を露出させる工程と、
前記基板上面の露出部を起点として、前記第１の反射鏡を覆うように、第１導電型の窒化物半導体からなる第１のスペーサ層を形成する工程と、
前記第１のスペーサ層上に、窒化物半導体からなる活性層、及び第２導電型の窒化物半導体からなる第２のスペーサ層を形成する工程と、
第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第１の透光性導電膜と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第２の透光性導電膜とが積層されてなる分布ブラッグ反射鏡である、第２の反射鏡を前記第２のスペーサ層上に形成する工程と、
前記基板における前記第１の反射鏡に向かう面と対向する面上、または前記第１のスペーサ層における前記活性層に向かう面上に、第１の電極を形成する工程と、
前記第２の反射鏡上に第２の電極を形成する工程とを備えている面発光型レーザ素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の面発光型レーザ素子の製造方法において、
第１の反射鏡は、第３の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第３の透光性導電膜と、前記第３の屈折率よりも小さい第４の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第４の透光性導電膜とが交互に積層されてなる第２の分布ブラッグ反射鏡であり、
前記第１の電極は、前記基板における、前記第１の反射鏡に向かう面に対向する面上に形成される面発光型レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示された技術は、面発光型の半導体レーザ素子に関するものであり、特に青から青紫色の波長帯で発振可能な面発光型半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
青色や青紫色での発振が可能な窒化ガリウム（ＧａＮ）面発光型半導体レーザ（vertical cavity surface emitting laser;VCSEL)は、低閾値電流や低消費電力といった高効率特性を有すること、ビーム形状が円形であること、二次元アレイ状に形成可能であること等の特徴を有し、高密度光記録への利用や、ディスプレイや照明用光源としての応用が期待される。面発光型レーザは基板の主面に垂直な方向を軸方向とする共振器からなり、光を発生する活性層をその上下から一対の反射鏡で挟んだ構成を有する。面発光型レーザのような短共振器構造では反射鏡損失が大きくなるので、レーザ発振には非常に高い反射鏡反射率が必要となる。一般的には、屈折率の異なる材料を交互に多数周期積層した分布ブラッグ反射鏡（distributed bragg reflector；DBR）が用いられる。
【０００３】
従来の赤外波長領域で発振するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）面発光型レーザでは、結晶成長法を用いてＡｌ組成が相異なるＡｌＧａＡｓ混晶を交互に積層することで、ＤＢＲが比較的容易に形成される。一方、窒化ガリウム系では格子定数や成長条件の違いなどにより欠陥やクラックが生じやすく、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮ混晶からなる多層膜を結晶成長させるのが非常に困難である。よって、これまで、窒化ガリウム系の半導体面発光型レーザにおいては、アルミニウムガリウム砒素系と同様の手法でＤＢＲを形成しても、良好な特性を得ることが困難であった。すなわち、互いに組成の異なる窒化ガリウム系半導体の混晶を結晶成長法により交互に形成することでＤＢＲを形成しても、特性の良い面発光型レーザを得ることができなかった。
【０００４】
実際、非特許文献１及び特許文献１では、一方の反射鏡にＡｌＮ／ＧａＮ多層膜ＤＢＲを用いたＧａＮ−ＶＣＳＥＬが報告されているが、非特許文献１では７７Ｋという低温でのレーザ発振動作にとどまっている。これに対し、非特許文献２では、活性層を挟む反射鏡の両方をいずれも誘電体材料からなる多層膜とすることで、室温でのレーザ発振が実現された旨報告されている。
【０００５】
図８は、非特許文献２に記載された従来の面発光型レーザ構造を示す図である。この面発光型レーザは、ＧａＮ系半導体の上下をＤＢＲ１、３で挟み込んだ構造を有しており、ＤＢＲ１、３にはそれぞれ誘電体多層膜が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，８３８，７０７号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９２、１４１１０２（２００８）
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１、１２１１０２（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のように誘電体多層膜を反射鏡に用いた場合、誘電体多層膜自体が高抵抗層であるため、当該誘電体多層膜を活性層７への電流注入経路とすることができない。このため、図８に示すように、誘電体多層膜（ＤＢＲ３）の周辺に電極５を形成し、ＩＴＯ層９あるいはｎ−ＧａＮ層１１での横方向（Ｓｉ基板の主面に平行な方向）への電気伝導によりデバイス中央部に電流を注入する構造とする必要がある。電流注入経路のうち、ＩＴＯ層９は抵抗率が比較的大きく、しかも光学ロスを低減するために膜厚を薄くしているため、直列抵抗としての影響が非常に大きくなり、デバイスの抵抗増大の大きな原因となる。抵抗が大きくなると動作電圧が増大するとともに、この抵抗が発熱の原因となって素子特性や信頼性が悪化する。
【０００９】
直列抵抗を小さくするためにＩＴＯ層９を厚膜化すると、ＩＴＯ層９での光吸収が増加する。特に、ＶＣＳＥＬ構造においてはＤＢＲ１、３で挟まれた光共振器の内部にＩＴＯ層９が存在するので、特性への影響が大きく、レーザ発振の閾値電流を著しく増加させるとともに、発光効率を低下させてしまうことになる。
【００１０】
以上のように、誘電体多層膜を反射鏡として用い、ＩＴＯ層９内で横方向にキャリアを移動させることで活性層７への電流注入を行う従来の構造においては、ＩＴＯ層９での直列抵抗が著しく大きくなり、素子の性能向上が阻害されるおそれがある。
【００１１】
前記に鑑み、本発明の目的は、直列抵抗が小さく、高効率な面発光型半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態の一例に係る面発光型半導体レーザ素子は、第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１のスペーサ層と、前記第１のスペーサ層上に形成された窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型の窒化物半導体からなる第２のスペーサ層と、前記第２のスペーサ上に形成された第２の反射鏡と、前記活性層の下方から前記活性層にキャリアを注入する第１の電極と、前記活性層の上方から前記活性層にキャリアを注入する第２の電極とを備えている。さらに、前記第１の反射鏡及び前記第２の反射鏡の少なくとも一方は、第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第１の透光性導電膜と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第２の透光性導電膜とが交互に積層されてなる第１の分布ブラッグ反射鏡であり、前記第１の分布ブラッグ反射鏡は、前記第１の電極から前記活性層へのキャリア注入経路上、または前記第２の電極から前記活性層へのキャリア注入経路上に形成されている。
【００１３】
なお、ここで「透光性導電膜」とは、活性層から放射される光を透過させる導電膜であることを意味するものとする。
【００１４】
この構成によれば、第１の反射鏡及び第２の反射鏡の少なくとも一方が非窒化物半導体材料からなる透光性導電膜を組み合わせることで構成されているので、窒化物系面発光型半導体レーザにおいても、反射鏡を通じて電流（キャリア）を活性層に注入する構造を容易に作製することができる。したがって、電流注入層での横方向の電気伝導を利用して電流を活性層に注入する従来の構造に比べて、直列抵抗の小さい面発光型半導体レーザを実現することができる。
【００１５】
また、前記第１導電型はｐ型、前記第２導電型はｎ型であり、少なくとも前記第１の反射鏡は、前記第１の分布ブラッグ反射鏡であり、前記第１の電極または前記第２の電極には、光出射用の開口が形成されており、前記第１の電極は、前記第１の反射鏡から見て前記第１のスペーサ層と逆の方向に位置していてもよい。
【００１６】
この構成によれば、特に電流の横方向拡散がｎ側に比べて悪いｐ側において、導電性の反射鏡を介して電流注入することができるので、素子内の直列抵抗をより大きく低減することができる。
【００１７】
また、第１の透光性導電膜及び第２の透光性導電膜は、導電性酸化膜であることが好ましい。例えば、第１の透光性導電膜は例えばＮｂを含むＴｉＯ２膜であり、第２の透光性導電膜はＺｎＯ膜であれば、導電性を保ちながら第１の透光性導電膜と第２の透光性導電膜との屈折率差を大きくすることができるので、少ない周期で高い反射率が得られ、好ましい。
【００１８】
本発明の実施形態の一例に係る第１の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、結晶成長用基板上に、第１導電型の窒化物半導体からなる第１のスペーサ層と、窒化物半導体からなる活性層と、第２導電型の窒化物半導体からなる第２のスペーサ層とを順次形成する工程と、第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第１の透光性導電膜と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第２の透光性導電膜とが交互に積層されてなる第１の分布ブラッグ反射鏡である、第１の反射鏡を前記第２のスペーサ層上に形成する工程と、前記第１の反射鏡上に、支持基板を張り合わせる工程と、前記結晶成長基板を除去する工程と、前記第１のスペーサ層における前記結晶成長基板を除去した面上に、第２の反射鏡を形成する工程と、前記支持基板における、前記第１の反射鏡に向かう面と対向する面上に、第１の電極を形成する工程と、前記第１のスペーサ層における前記結晶成長基板を除去した面上、または前記第２の反射鏡における前記第１のスペーサ層に向かう面に対向する面上に、第２の電極を形成する工程とを備えている。
【００１９】
この方法によれば、導電性且つ透光性を有する第１の分布ブラッグ反射鏡を介して電流を活性層に注入できる、内部の直列抵抗が従来に比べて大きく低減された面発光型半導体レーザ素子を作製することができる。
【００２０】
本発明の実施形態の一例に係る第２の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、基板の上面上に第１の反射鏡を形成する工程と、前記第１の反射鏡の一部を除去し、前記基板の上面を露出させる工程と、前記基板上面の露出部を起点として、前記第１の反射鏡を覆うように、第１導電型の窒化物半導体からなる第１のスペーサ層を形成する工程と、前記第１のスペーサ層上に、窒化物半導体からなる活性層、及び第２導電型の窒化物半導体からなる第２のスペーサ層を形成する工程と、第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第１の透光性導電膜と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる第２の透光性導電膜とが積層されてなる分布ブラッグ反射鏡である、第２の反射鏡を前記第２のスペーサ層上に形成する工程と、前記基板における前記第１の反射鏡に向かう面と対向する面上、または前記第１のスペーサ層における前記活性層に向かう面上に、第１の電極を形成する工程と、前記第２の反射鏡上に第２の電極を形成する工程とを備えている。
【００２１】
この方法によれば、反射鏡上に直接結晶成長させるのが困難な材料でも、基板の露出面を開始点として結晶成長させることができるので、簡単なプロセスで面発光型半導体レーザ素子を作製することができる。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように、本発明の一例に係る面発光型半導体レーザ素子によれば、活性層を挟む反射鏡の少なくとも一方を、非窒化物半導体材料からなる透光性導電膜で構成するので、この反射鏡を通じて電極から流入した電流を活性層に注入することができる。そのため、反射鏡と活性層との間の導電層内で電流を横方向に流す従来の構成に比べて直列抵抗を大きく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザの変形例を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の第１の変形例及び第２の変形例を示す断面図である。
【図８】従来の面発光型レーザ構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、「導電膜」は文字通り導電性を有する膜のことを意味し、少なくとも不純物を含まない状態の半導体以上の導電性を有する膜を意味するものとする。
【００２５】
（第１の実施形態）
−本実施形態の面発光型半導体レーザ素子の構成−
図１は、本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子１５０の構造を示す断面図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０は、例えば導電性Ｓｉからなる基板１０１と、基板１０１の上面上に順次形成されたｐ側ＤＢＲ１０２、コンタクト層１０３、ｐ側スペーサ層１０４、活性層１０５、ｎ側スペーサ層１０６、及びｎ側ＤＢＲ１０８とを備えている。また、基板１０１の裏面上にはｐ側電極１０９が形成されており、ｎ側ＤＢＲ１０８の上面（活性層１０５及びｎ側スペーサ層１０６に向かう方の面）に対向する面上にはｎ側電極１１０が形成されている。ｎ側電極１１０は、例えば環状となっており、活性層１０５で生じたレーザ光を出射させるための開口を中央部に有している。ｎ側電極１１０の開口の直径は、例えば１０μｍ以下程度となっている。ｐ側スペーサ層１０４、活性層１０５、及びｎ側スペーサ層１０６の周辺部（中央部を囲む部分）には、イオン注入等の方法により高抵抗化された高抵抗領域１０７が形成されている。この高抵抗領域１０７は、環状のｎ側電極１１０の下方に位置し、環状となっている。
【００２７】
コンタクト層１０３は、ＩＴＯ膜等、透光性を有する導電膜で構成されており、その膜厚は例えば５０ｎｍ程度である。コンタクト層１０３は、ｐ型スペーサ層１０４とｐ型ＤＢＲ１０２との接触抵抗を低減するために設けられている。
【００２８】
ｐ側スペーサ層１０４は、例えばｐ型ＧａＮ等の窒化物半導体からなっている。活性層１０５はＩｎＧａＮ等の窒化物半導体からなる多重量子井戸で構成されている。ｎ側スペーサ層１０６は、例えばｎ型ＧａＮ等の窒化物半導体からなっている。ｐ側スペーサ層１０４及びｎ側スペーサ層１０６の膜厚はそれぞれ例えば２００ｎｍ、９００ｎｍ程度である。また、ｐ側電極１０９、ｎ側電極１１０はそれぞれＴｉ、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等の金属からなり、ｐ側電極１０９は基板１０１の裏面と、ｎ側電極１１０はｎ側ＤＢＲの上面と、それぞれオーミック接触している。
【００２９】
ｐ側ＤＢＲ１０２は、第１の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる透光性導電膜１０２ａと、第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる透光性導電膜１０２ｂとが交互に積層されてなっている。透光性導電膜１０２ａ及び透光性導電膜１０２ｂは、いずれも動作時の活性層１０５から放射される光を透過させる膜である。
【００３０】
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０では、透光性導電膜１０２ａとして、高屈折率材料であるニオブ（Ｎｂ）を含むＴｉＯ２膜（ＮｂドープＴｉＯ２膜）が形成され、透光性導電膜１０２ｂとして、低屈折率材料であるＺｎＯ膜が形成されている。ＴｉＯ２膜中のＮｂ濃度は、例えば原子濃度で５％（Ｔｉが９５％、Ｎｂが５％）程度である。
【００３１】
そして、λをレーザ発振波長、ｎ１、ｎ２をそれぞれ透光性導電膜１０２ａ及び透光性導電膜１０２ｂの各構成材料の屈折率、ｄ１、ｄ２を各構成材料の膜厚とすると、ｄ１＝λ／（４ｎ１）、ｄ２＝λ／（４ｎ２）とすることでＤＢＲとして機能し、高い反射率が得られる。すなわち、透光性導電膜１０２ａ及び透光性導電膜１０２ｂは、それぞれの光学膜厚（ｎ１×ｄ１、ｎ２×ｄ２）が実質的に１／４波長となるように設計されている。なお、コンタクト層１０３はｐ側スペーサ層１０４へのオーミックコンタクトを得るために用いられているが、ｐ側ＤＢＲ１０２とともに反射鏡としても機能させる目的で、実質的に光学膜厚が１／４波長になるよう設計されている。
【００３２】
ｎ側ＤＢＲ１０８は、第３の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる透光性導電膜１０８ａと、第３の屈折率よりも小さい第４の屈折率を有し、非窒化物半導体材料からなる透光性導電膜１０８ｂとが交互に積層されてなっている。
【００３３】
本実施形態の例では、ｎ側ＤＢＲ１０８がｐ側ＤＢＲ１０２と同様の構成を有している。すなわち、透光性導電膜１０８ａがＮｂを含むＴｉＯ２膜であり、透光性導電膜１０８ｂがＺｎＯ膜であり、透光性導電膜１０８ａ及び透光性導電膜１０８ｂのそれぞれの光学膜厚が実質的に発振波長の１／４波長となっている。透光性導電膜１０８ａと透光性導電膜１０８ｂとの繰り返し数（周期）は、後述するように、透光性導電膜１０２ａと透光性導電膜１０２ｂとのペアの周期より少なくなっているが、十分な反射率を有していればそれぞれの周期は等しくてもよい。ただし、光出射側に位置するＤＢＲのペア周期を少なくすることが多い。
【００３４】
一般的に、面発光型半導体レーザ素子では共振器損失に占める反射鏡損失の割合が大きいので、反射鏡は非常に高い反射率を有することが求められる。具体的には、活性層１０５から見て裏面側（光出射方向と逆側）の反射鏡で９９．９％以上、光出射側の反射鏡で９９．０％から９９．５％程度の反射率があれば特に好ましい。
【００３５】
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０では、環状のｐ側電極１０９がレーザ光の出射窓であるため、ｎ側ＤＢＲ１０８では反射率が９９．０％以上９９．５％以下となるように透光性導電膜同士のペア数(周期）が設定されている。一方、ｐ側ＤＢＲ１０８では反射率が９９．９％を超えるように、透光性導電膜同士のペア数が設定されている。なお、図１ではｐ側ＤＢＲ１０２、ｎ側ＤＢＲ１０８を模式的に示しており、実際の透光性導電膜同士のペア数はより多くしてもよい。
【００３６】
−本実施形態の面発光型半導体レーザ素子の動作−
次に、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０の動作原理を説明する。
【００３７】
ｐ側電極１０９とｎ側電極１１０との間に電圧を印加すると、ｐ側電極１０９側から基板１０１、ｐ側ＤＢＲ１０２、コンタクト層１０３、ｐ側スペーサ層１０４を通して活性層１０５にホールが注入される。
【００３８】
一方、ｎ側電極１１０からは、ｎ側ＤＢＲ１０８、ｎ側スペーサ層１０６を通じて活性層１０５に電子が注入される。ｎ側電極１１０の直下方には高抵抗領域１０７が形成されているので、電流経路１１１のようにｎ側スペーサ層の中心部に電流が狭窄される。
【００３９】
活性層１０５に注入された電子とホールはこの活性層１０５内で再結合し、活性層１０５の量子井戸構造で規定された波長の光を発生する。量子井戸構造はＩｎＧａＮ材料からなり、図示しない井戸層とバリア層とが交互に配置されてなる。本実施形態の例では、４００ｎｍの波長でレーザ発振が生じるように井戸層とバリア層の膜厚及びＩｎ組成が設計されている。
【００４０】
電子とホールの再結合により発生した光は、ｐ側ＤＢＲ１０２とｎ側ＤＢＲ１０８とを含む光共振器によりレーザ発振を生じ、環状のｎ側電極１１０中央の開口部からレーザ光が放射される。この光共振器はｐ側スペーサ層１０４、活性層１０５、及びｎ側スペーサ層１０６で構成され、光共振器長に相当するｐ側ＤＢＲ１０２とｎ側ＤＢＲ１０８の間の光学距離、すなわち２つのＤＢＲ間に存在する半導体層全体の光学膜厚が、発振波長λのｎ倍（ｎは正の整数）となるように設計される。
【００４１】
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０では、一例として発振波長λの７倍となるような光学膜厚の光共振器を用いている。さらに、光共振器内に生じる定在波の腹の部分、すなわちＤＢＲからの光学距離が半波長の整数倍である位置に活性層が位置すればよいところ、本実施形態の例ではｐ側ＤＢＲ１０２からの光学距離が１．５波長の位置に活性層１０５の中央部を配置している。
【００４２】
−本実施形態の面発光型半導体レーザ素子の作用・効果−
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０においては、ｐ側ＤＢＲ１０２及びｎ側ＤＢＲ１０８が共に導電膜で構成されているため、図１に示す電流経路１１１のように、ｐ側ＤＢＲ１０２及びｎ側ＤＢＲ１０８を通じて活性層１０５にキャリアを注入することができる。キャリア（ホール）はコンタクト層１０３内を縦方向（基板１０１の主面あるいはコンタクト層１０３の上面に対して垂直な方向）に流れる。
【００４３】
このため、誘電体ＤＢＲを採用する従来の面発光型レーザ素子では、ＩＴＯ層内での横方向の電気伝導を利用して電流（キャリア）を活性層に注入しているところ、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０では、コンタクト層１０３において横方向に電流を流す必要がない。したがって、素子の内部での直列抵抗の増大を抑制でき、従来の面発光型半導体レーザ素子に比べてしきい値電流及び動作電圧が小さく、信頼性の良好なデバイスが実現できる。
【００４４】
本実施形態のように、ｐ側の反射鏡とｎ側の反射鏡の両方を導電膜で構成したＤＢＲにしてもよいが、どちらか一方の反射鏡のみを導電膜で構成してもよい。なお、ｐ側のコンタクト層及びｐ側スペーサ層でのホールは、ｎ側スペーサ層での電子に比べて横方向に移動しにくい。そのため、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０のように、特に、ｐ側電極１０９から活性層１０５への電流経路１１１上にｐ側ＤＢＲ１０２を配置し、ｐ側ＤＢＲ１０２を通じて活性層１０５に電流を注入することが、素子の直列抵抗の増大を抑制するのに大きく貢献する。
【００４５】
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１５０では、ｎ側ＤＢＲ１０８も導電膜で構成されているので、共振器が形成できる条件を満たせば、図８に示す従来の面発光型半導体レーザ素子のｎ−ＧａＮ層１１に比べ、ｎ側スペーサ層１０６の膜厚を薄くしてもキャリアを活性層１０５に注入できるので、素子の直列抵抗の増大をさらに低減させることができる。
【００４６】
−本実施形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法−
以下、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を説明する。図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【００４７】
まず、図２（ａ）に示すように、結晶成長用基板１１２上にｎ側スペーサ層１０６、活性層１０５、ｐ側スペーサ層１０４を順次形成し、続いてイオン注入などの方法により、ｎ側スペーサ層１０６、活性層１０５、及びｐ側スペーサ層１０４内に高抵抗領域１０７を形成する。
【００４８】
結晶成長用基板１１２としては、サファイア基板やＧａＮ基板など、スペーサ層や活性層１０５を結晶成長させやすい基板が用いられる。また、ｎ側スペーサ層１０６、活性層１０５、ｐ側スペーサ層１０４は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法などの公知の方法によって形成することができる。また、高抵抗領域１０７はｎ側スペーサ層１０６の底部（結晶成長用基板１１２に近い部分）までは達しない深さに形成する。
【００４９】
次に、図２（ｂ）に示すように、スパッタやレーザーアブレーションなどの方法により、ＩＴＯからなるコンタクト層１０３を形成する。次いで、コンタクト層１０３上に、ＮｂがドープされたＴｉＯ２膜である透光性導電膜１０２ａと、ＺｎＯ膜である透光性導電膜１０２ｂとを交互に複数サイクル積層してｐ側ＤＢＲ１０２を形成する。
【００５０】
次に、図３（ａ）に示すように、ｐ側ＤＢＲ１０２における活性層１０５に向かう面に対向する面が接合面となるように、作製された構造体を基板１０１に貼り合わせた後、結晶成長用基板１１２をレーザーリフトオフや化学機械研磨などの方法により構造体から除去し、ｎ側スペーサ層１０６を露出させる。なお、活性層１０５を含む構造体が非常に薄いため、基板１０１を貼り合わせて補強し、取り扱いを容易にするとともに、製造工程中に破損しにくくしている。
【００５１】
続いて、図３（ｂ）に示すように、ｎ側スペーサ層１０６上に、ＮｂがドープされたＴｉＯ２膜である透光性導電膜１０８ａと、ＺｎＯ膜である透光性導電膜１０８ｂとを交互に複数回積層することでｎ側ＤＢＲ１０８を形成する。その後、真空蒸着とフォトリソグラフィーなどの方法により、基板１０１における活性層１０５に向かう面と対向する面上にｐ側電極１０９を、ｎ側ＤＢＲ１０８上にｎ側電極１１０をそれぞれ形成する。最後に、ダイシングなどの方法により個々のチップに分割することで図１に示すような面発光型半導体レーザ素子１５０が作製される。なお、必ずしもチップに分割する必要はなく、個片化せずに図３（ｂ）に示すような面発光型半導体レーザ素子アレイとして用いることもできる。
【００５２】
なお、上記実施形態の説明においては、ＤＢＲの材料として高屈折率膜にＮｂがドープされたＴｉＯ２膜を、低屈折率膜にＺｎＯ膜を用いる例を説明したが、これに限らず、高屈折率を有する透光性導電膜と、これよりも低い屈折率を有する透光性導電膜とでＤＢＲを形成してもよい。例えば、ＺｎＯと同等の屈折率を持つ材料としてＩＴＯを用いることができる。ただし、ペアを形成する透光性導電膜の屈折率差が大きい方が、ペアの繰り返し数（周期）を少なくしても高い反射率を得ることができるので、より好ましい。
【００５３】
−本実施形態の面発光型半導体レーザの変形例−
図４は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの変形例を示す断面図である。
【００５４】
同図に示すように、本変形例に係る面発光型半導体レーザ素子１５５では、図１に示す第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと異なり、ｎ側スペーサ層１０６に接してｎ側電極１１０が形成されている。すなわち、ｎ側電極１１０は、ｎ側ＤＢＲ１０８が形成されたｎ側スペーサ層１０６の面上に、光出射面を上方から見た場合にｎ側ＤＢＲ１０８を囲むように形成されている。なお、ｎ側ＤＢＲ１０８は例えば光出射方向を軸とする円柱形状であれば好ましいが、必ずしもこの形状に限定されない。
【００５５】
本変形例に係る面発光型半導体レーザ素子１５５のその他の構成は、実質的に図１に示す第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子１５０と同様である。
【００５６】
このような構成にすることで、必ずしもｎ側ＤＢＲ１０８を導電性にする必要はなくなり、材料選択の自由度を広げることができる。具体的には、ＴｉＯ２とＳｉＯ２とで構成される多層構造や、あるいはＺｒＯ２とＳｉＯ２とで構成される多層構造をｎ側ＤＢＲ１０８として用いることが可能となる。
【００５７】
なお、本変形例に係る面発光型半導体レーザ素子１５５を作製するには、図２（ａ）から図３（ａ）までに示す工程の後、ｎ側スペーサ層１０６上に、ＮｂがドープされたＴｉＯ２膜である透光性導電膜１０８ａと、ＺｎＯ膜である透光性導電膜１０８ｂとを交互に複数回積層することでｎ側ＤＢＲ１０８を形成する。次いで、ｎ側ＤＢＲ１０８のうちｎ側スペーサ層１０６の周辺部上に位置する部分をエッチングにより除去してｎ側スペーサ層１０６の一部を露出させる。その後、真空蒸着とフォトリソグラフィーなどの方法により、基板１０１における活性層１０５に向かう面と対向する面上にｐ側電極１０９を、ｎ側スペーサ層１０６上にｎ側電極１１０をそれぞれ形成する。最後に、ダイシングなどの方法により個々のチップに分割することで、図４に示すような面発光型半導体レーザ素子１５５が作製できる。
【００５８】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子１６０の構造を示す断面図である。同図では、素子のｐ側とｎ側を図１と上下逆に示している。
【００５９】
図５に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１６０では、例えば導電性Ｓｉからなる基板１０１上に、ｎ側ＤＢＲ１０８、ｎ型ＧａＮからなるｎ側スペーサ層１０６、ＩｎＧａＮで構成された多重量子井戸からなる活性層１０５、ｐ型ＧａＮからなるｐ側スペーサ層１０４、ＩＴＯからなるコンタクト層１０３、ｐ側ＤＢＲ１０２が順次形成されている。
【００６０】
基板１０１の裏面側（基板１０１の面のうちｎ側ＤＢＲ１０８が形成された面に対向する面上）にはｎ側電極１１０が形成されており、ｐ側ＤＢＲ１０２における活性層１０５に向かう面に対向する面上には、レーザ光を出射させるための開口を有した、環状のｐ側電極１０９が形成されている。ｐ側スペーサ層１０４、活性層１０５、及びｎ側スペーサ層１０６の周辺部には、イオン注入などの方法により高抵抗化された高抵抗領域１０７が形成されている。この高抵抗領域１０７は、環状のｐ側電極１０９の下方に位置し、環状となっている。ここで、図５における「下方」は、上方に向かってレーザ光が出射されるとした場合の「下方」であるものとする。
【００６１】
また、ｎ側スペーサ層１０６は、ｎ側ＤＢＲ１０８の側面及び活性層１０５に向かう面を覆っているとともに、基板１０１における活性層１０５に向かう面の一部（周辺領域）に接している。
【００６２】
次に、図５に示す本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１６０の製造方法を説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子１６０の製造方法を示す断面図である。
【００６３】
まず、図６（ａ）に示すように、導電性の基板１０１上にＮｂがドープされたＴｉＯ２膜である透光性導電膜１０８ａと、ＺｎＯ膜である透光性導電膜１０８ｂとを交互に複数サイクル積層してｎ側ＤＢＲ１０８を形成する。次に、フォトリソグラフィーとエッチング法によりｎ側ＤＢＲ１０８の一部を除去し、基板１０１を露出させて、結晶成長用窓１１３を形成する。ｎ側ＤＢＲ１０８の水平断面形状は円形でもよいし、四辺形などの多角形でもよい。ｎ側ＤＢＲ１０８が円柱状である場合の水平断面の直径は例えば１０μｍ程度であり、互いに隣接するｎ側ＤＢＲ１０８同士の間隔は例えば１０μｍ程度である。
【００６４】
次に、図６（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮからなるｎ側スペーサ層１０６をＭＯＣＶＤ法などにより形成する。この場合、適切な成長条件を用いれば、基板１０１のうち結晶成長用窓１１３が形成された部分（露出部分）を起点として選択的に結晶成長を開始し、ｎ側ＤＢＲ１０８全体を覆うようにｎ側スペーサ層１０６を形成できる。引き続き、活性層１０５、ｐ側スペーサ層１０４をｎ側スペーサ層１０６上に順次結晶成長させ、続いてイオン注入などの方法により、ｎ側スペーサ層１０６、活性層１０５、及びｐ側スペーサ層１０４内に高抵抗領域１０７を形成する。
【００６５】
次に、図６（ｃ）に示すように、スパッタやレーザーアブレーションなどの方法により、ＩＴＯからなるコンタクト層１０３をｐ側スペーサ層１０４上に形成し、続いてＮｂがドープされたＴｉＯ２膜である透光性導電膜１０２ａと、ＺｎＯ膜である透光性導電膜１０２ｂとで構成された多層構造を有するｐ側ＤＢＲ１０２をスパッタなどにより形成する。スパッタを用いれば、各透光性導電膜の面積が大きくても均一に成膜することができる。
【００６６】
次に、真空蒸着とフォトリソグラフィーなどの方法により、基板１０１におけるｎ側ＤＢＲ１０８が形成された面に対向する面上にｎ側電極１１０を形成するとともに、ｐ側ＤＢＲ１０２におけるｐ側スペーサ層１０４に向かう面に対向する面上に開口を有するｐ側電極１０９を形成する。以上のようにして、面発光型半導体レーザ素子アレイが作製される。この面発光型半導体レーザ素子アレイをダイシングなどの方法を用いて図６（ｃ）に示す破線部で分割すれば、図５に示す本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１６０が作製できる。
【００６７】
本実施形態に係る製造方法よれば、図３（ａ）に示すような貼り合わせや基板除去などの複雑なプロセスを用いることなく、簡易なプロセスで面発光型半導体レーザ素子１６０を作製することができる。また、この方法によれば、図６（ｂ）に示す工程で、基板１０１の露出面を開始点としてｎ側スペーサ層１０６を結晶成長させることができるので、ｎ側スペーサ層１０６がｎ側ＤＢＲ１０８上に直接成長させることが困難な材料で構成されていても問題なく形成することができる。そのため、ＤＢＲの構成材料を選択する際の自由度をより大きくすることができる。
【００６８】
また、誘電体ＤＢＲを用いた従来の面発光型半導体レーザ素子では、横方向の電気伝導を利用して活性層に電流（キャリア）を注入していたが、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１６０では、その必要がなく、ｐ側電極１０９及びｎ側電極１１０から活性層１０５にキャリアを注入する際に、基板面に垂直な方向にキャリアを移動させることができるので、低抵抗化が可能となる。特に、電流の横方向広がりがｎ側よりも悪いｐ側において、比較的抵抗が大きいＩＴＯ層（コンタクト層１０３）での電流横拡散を利用して電流を活性層１０５に注入する必要がなくなる。したがって、素子の直列抵抗の増大を抑制でき、動作電圧が小さく信頼性の良好なレーザ素子を実現することができる。さらに、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１６０では、ｐ側ＤＢＲ１０２だけでなくｎ側ＤＢＲ１０８も導電性であるので、ｎ側ＤＢＲ１０８を介しても活性層１０５に電流を注入できる。
【００６９】
なお、ｎ側ＤＢＲ１０８は必ずしも導電性である必要はなく、従来のような誘電体ＤＢＲに代えてもよい。このような構成にすることで、ｎ側ＤＢＲ１０８の構成材料を選択する際の自由度が広がり、例えばＴｉＯ２とＳｉＯ２とで構成される多層構造や、あるいはＺｒＯ２とＳｉＯ２とで構成される多層構造をｎ側ＤＢＲ１０８として用いることが可能となる。
【００７０】
図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の第１の変形例及び第２の変形例を示す断面図である。
【００７１】
図７（ａ）に示す第１の変形例に係る面発光型半導体レーザ素子１７０のように、ｎ側電極１１０がｎ側ＤＢＲ１０８から見て活性層１０５と同じ方向に形成されていてもよい。この場合、ｎ側電極１１０からｎ側スペーサ層１０６の一部を介して活性層１０５に電流（キャリア）が注入される。
【００７２】
あるいは、図７（ｂ）に示す第２の変形例に係る面発光型半導体レーザ素子１８０のように、ｎ側電極１１０をｎ側ＤＢＲ１０８から見て活性層１０５と逆の方向に位置するように形成してもよい。具体的には、基板１０１において、ｎ側ＤＢＲ１０８が形成された面に対向する面上にｎ側電極１１０が設けられ、ｎ側電極１１０から結晶成長用窓１１３を介して活性層１０５に電流を注入する構成であっても構わない。
【００７３】
以上で説明した実施形態またはその変形例に係る面発光型半導体レーザ素子は本発明の例示であって、活性層１０５の構成及びこれに伴うレーザ光の発振波長、ｎ側スペーサ層１０６、ｐ側スペーサ層１０４、コンタクト層１０３、膜厚、組成等は本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、ｎ側ＤＢＲ１０８、ｐ側ＤＢＲ１０２を構成する透光性導電層のペアの周期も所望の反射率を得ることができれば任意に設定可能である。
【００７４】
また、上述した面発光型半導体レーザ素子ではｐ側ＤＢＲ１０２と活性層１０５との間にコンタクト層１０３が設けられているが、このコンタクト層１０３が設けられなくてもレーザ素子として動作させることができる場合もある。なお、コンタクト層１０３が設けられる場合、その構成材料はＩＴＯに限られず、透光性及び導電性を有する酸化膜など、導電性を有し、発振波長に対して透明である材料であればよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の一例に係る面発光型半導体レーザ素子は、例えば、可視領域、特に青紫から青色領域の波長帯で発振可能であり、高密度光記録、ディスプレイや照明用途に利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１、３  ＤＢＲ
５      電極
７      活性層
９      ＩＴＯ層
１１      ｎ−ＧａＮ層
１０１      基板
１０２      ｐ側ＤＢＲ
１０２ａ、１０２ｂ、１０８ａ、１０８ｂ    透光性導電膜
１０３      コンタクト層
１０４      ｐ側スペーサ層
１０５      活性層
１０６      ｎ側スペーサ層
１０７      高抵抗領域
１０８      ｎ側ＤＢＲ
１０９      ｐ側電極
１１０      ｎ側電極
１１１      電流経路
１１２      結晶成長用基板
１１３      結晶成長用窓
１５０、１５５、１６０、１７０、１８０      面発光型半導体レーザ素子
【図１】
2012049292.tif 000003
【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】
2012049292.tif 000009
【図８】
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