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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-28
(45)【発行日】2022-11-08
(54)【発明の名称】垂直共振器型発光素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/183 20060101AFI20221031BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2018196394
(22)【出願日】2018-10-18
(65)【公開番号】P2020064994
(43)【公開日】2020-04-23
【審査請求日】2021-09-13
(73)【特許権者】
【識別番号】000002303
【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001025
【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】倉本 大
(72)【発明者】
【氏名】小林 静一郎
【審査官】高椋 健司
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１９７４２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１２－５１７７０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２０５００６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第６３６９６１３（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開２０００－１９６１８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１６３３７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第６７５１２４５（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】国際公開第２０１８／０８３８７７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１８０４５０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／０１８０１７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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の半導体層とは反対の第２の導電型を有し、上面に低抵抗領域と前記低抵抗領域の外側において前記低抵抗領域から前記発光層に向かって窪みかつ前記第２の導電型の不純物が不活性化されることで前記低抵抗領域よりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域とを有する第２の半導体層と、
前記低抵抗領域及び前記高抵抗領域に接触して前記第２の半導体層の前記上面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の多層膜反射鏡との間で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する垂直共振器型発光素子。
【請求項2】
前記共振器は、前記低抵抗領域に対応して前記第１及び第２の多層膜反射鏡間に延びる中央領域と、前記中央領域の外側において前記高抵抗領域に対応して設けられた外側領域と、を有し、前記外側領域は、前記中央領域よりも低い等価屈折率を有す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の半導体層は、前記上面の前記低抵抗領域の内側において前記低抵抗領域から前記発光層に向かって窪みかつ前記第２の導電型の不純物が不活性化されることで前記低抵抗領域よりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域を有す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4】
前記共振器は、前記低抵抗領域に対応して前記第１及び第２の多層膜反射鏡間に延びる環状領域と、前記環状領域の内側において前記高抵抗領域に対応して設けられた内側領域と、前記環状領域の外側において前記高抵抗領域に対応して設けられた外側領域と、を有し、前記内側領域及び前記外側領域は、前記環状領域よりも低い等価屈折率を有す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】
前記高抵抗領域は、１．５～１２ｎｍの範囲内の深さで前記低抵抗領域から前記発光層に向かって窪んでい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。
【請求項6】
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の半導体層とは反対の第２の導電型を有し、上面に低抵抗領域と前記低抵抗領域の外側において前記低抵抗領域から前記発光層に向かって窪みかつ前記第２の導電型の不純物が不活性化されることで前記低抵抗領域よりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域とを有する第２の半導体層と、前記低抵抗領域及び前記高抵抗領域に接触して前記第２の半導体層の前記上面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の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有する垂直共振器型発光素子の製造方法であって、
前記不純物が不活性化される前記高抵抗領域は、前記第２の半導体層の表面の一部を除去し、イオン注入を行う工程によって形成されるか、または、前記第２の半導体層の表面の一部にアッシング処理を行う工程によって形成されることを特徴とする、垂直共振器型発光素子の製造方法。
【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など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（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、窒化物半導体を用いた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】
【文献】特許第5707742号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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、例えば遠視野像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、単一横モードのレーザ光を生成することで、単峰性な高出力のレーザ光の遠視野像を得ることができる。
【0005】
また、面発光レーザなどにおいては、高品質であることが好ましい。例えば、早期の劣化が少ないこと、また、種々の環境で使用される場合、例えば高温での動作時においても安定した出力を行うことが可能であることが好ましい。また、発光素子は、一般的に、単純な構成を有し、容易にかつ低コストで作製できることが好ましい。
【0006】
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であり、単純な構成で高品質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】
【0007】
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の半導体層とは反対の第２の導電型を有し、上面に低抵抗領域と低抵抗領域の外側において低抵抗領域から発光層に向かって窪みかつ第２の導電型の不純物が不活性化されることで低抵抗領域よりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域とを有する第２の半導体層と、低抵抗領域及び高抵抗領域に接触して第２の半導体層の上面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の多層膜反射鏡との間で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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施例１に係る面発光レーザの断面図である。
【図2】実施例１に係る面発光レーザの模式的な上面図である。
【図3】実施例１に係る面発光レーザ内の共振器の構成を模式的に示す図である。
【図4】実施例１に係る面発光レーザ内の電流経路を模式的に示す図である。
【図5】実施例１に係る面発光レーザから出射される光を模式的に示す図である。
【図6】比較例に係る面発光レーザの断面図である。
【図7】実施例１及び比較例に係る面発光レーザにおけるｐ型半導体層のエッチング深さと形成される屈折率段差との関係を示す図である。
【図8】実施例１に係る面発光レーザから出射された光の遠視野像の実測例を示す図である。
【図9】実施例１及び比較例に係る面発光レーザにおける駆動時間と光出力との関係を示す図である。
【図10】実施例１の変形例に係る面発光レーザの断面図である。
【図11】実施例２に係る面発光レーザの断面図である。
【図12】実施例２に係る面発光レーザの模式的な上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【実施例1】
【0010】
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）の断面図である。また、図２は、面発光レーザ１０の模式的な上面図である。図１は、図２のＶ－Ｖ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。
【0011】
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、基板１１上に形成され、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。
【0012】
すなわち、本実施例においては、第１の反射鏡１２は、半導体多層膜反射鏡であり、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。
【0013】
また、本実施例においては、基板１１は、ＧａＮの組成を有する。また、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層Ｈ１はＧａＮの組成を有し、低屈折率半導体層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。
【0014】
面発光レーザ１０は、第１の反射鏡１２上に形成され、発光層１４を含む発光構造層ＥＭを有する。本実施例においては、発光構造層ＥＭは、窒化物系半導体からなる複数の半導体層を含む。発光構造層ＥＭは、第１の反射鏡１２上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１３と、ｎ型半導体層１３上に形成された発光層（活性層）１４と、発光層１４上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層）１５と、を有する。
【0015】
本実施例においては、ｎ型半導体層１３は、ＧａＮの組成を有し、Ｓｉをｎ型不純物として含む。発光層１４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１５は、ＧａＮ系の組成を有し、Ｍｇをｐ型不純物として含む。
【0016】
なお、発光構造層ＥＭの構成はこれに限定されない。例えば、ｎ型半導体層１３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、ｐ型半導体層１５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。
【0017】
例えば、ｐ型半導体層１５は、発光層１４との界面に、発光層１４に注入された電子のｐ型半導体層１５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）として、例えばＡｌＧａＮ層を有していてもよい。また、ｐ型半導体層１５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１５は、当該電子ブロック層及びコンタクト層間に、クラッド層としてのＧａＮ層を有していればよい。
【0018】
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１５は、上面１５Ｕに第１の領域１５Ａ及び第２の領域１５Ｂを有する。第２の領域１５Ｂは、第１の領域１５Ａの外側に設けられ、第１の領域１５Ａから発光層１４に向かって窪んでいる。また、第２の領域１５Ｂには、ｐ型不純物が不活性化された不活性化領域１５Ｃが設けられている。本実施例においては、図２に示すように、第１の領域１５Ａは、第２の領域１５Ｂから円柱状に突出している。
【0019】
第１の領域１５Ａは、例えば、ｐ型半導体層１５の上面１５Ｕに円形状の領域を残してドライエッチングを行うことで、形成することができる。ｐ型半導体層１５などの不純物を含む半導体は、ドライエッチングを行うことによって、その表面が粗面化される。これによって、エッチングされた部分におけるｐ型の不純物が不活性化され、不活性化領域１５Ｃが形成される。
【0020】
従って、第２の領域１５Ｂは、第１の領域１５Ａよりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域ＨＲとして機能する。一方、エッチングが行われていない領域、すなわち不活性化領域１５Ｃが設けられていない領域である第１の領域１５Ａは、低抵抗領域ＬＲとして機能する。また、第２の領域１５Ｂにおいては、ドライエッチングによって、ｐ型半導体層１５が部分的に除去される。従って、第２の領域１５Ｂは、第１の領域１５Ａから発光層１４側に窪んでいる。
【0021】
換言すれば、ｐ型半導体層１５は、上面１５Ｕに低抵抗領域ＬＲと低抵抗領域ＬＲの外側において低抵抗領域ＬＲから発光層１４に向かって窪みかつｐ型不純物が不活性化されることで低抵抗領域ＬＲよりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域ＨＲとを有する。
【0022】
ｐ型半導体層１５は、発光構造層ＥＭに注入される電流経路を狭窄する電流狭窄層として機能する。ｐ型半導体層１５の第１の領域１５Ａは、発光層１４に電流が注入される電流注入領域として機能する。一方、ｐ型半導体層１５の第２の領域１５Ｂは、発光層１４への電流の注入が抑制される非電流注入領域として機能する。
【0023】
面発光レーザ１０は、ｐ型半導体層１５の第１及び第２の領域１５Ａ及び１５Ｂに接触してｐ型半導体層１５の上面１５Ｕに形成された透光電極層１６を有する。透光電極層１６は、発光層１４から放出された光に対して透光性を有する導電性の膜である。例えば、透光電極層１６は、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる。
【0024】
面発光レーザ１０は、透光電極層１６上に形成された絶縁層１７を有する。例えば、絶縁層１７は、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2などの金属酸化物からなる。また、絶縁層１７は、発光層１４から放出された光に対して透光性を有する。
【0025】
面発光レーザ１０は、絶縁層１７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）１８を有する。第２の反射鏡１８は、発光構造層ＥＭを介して第１の反射膜１２に対向する位置に配置されている。第２の反射鏡１８は、第１の反射鏡１２との間で、発光構造層ＥＭ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ＯＣを構成する。
【0026】
また、本実施例においては、図２に示すように、第２の反射鏡１８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ＯＣを有する。
【0027】
本実施例においては、第２の反射鏡１８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。
【0028】
すなわち、本実施例においては、第２の反射鏡１８は、誘電体多層膜反射鏡であり、誘電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、高屈折率誘電体膜Ｈ２はＴａ2Ｏ5層からなり、低屈折率誘電体膜Ｌ２はＡｌ2Ｏ3層からなる。
【0029】
発光構造層ＥＭにおけるｐ型半導体層１５の低抵抗領域ＬＲ及び高抵抗領域ＨＲは、第１の反射鏡１２と第２の反射鏡１８との間の領域に設けられている。すなわち、本実施例においては、共振器ＯＣは、ｐ型半導体層１５の低抵抗領域ＬＲに対応して第１及び第２の反射鏡１２及び１８間に延びる中央領域Ｒ１と、中央領域Ｒ１の外側において高抵抗領域ＨＲに対応して設けられた外側領域Ｒ２とを有する。
【0030】
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１５の第１の領域１５Ａ（低抵抗領域ＬＲ）における層厚は、ｐ型半導体層１５の第２の領域１５Ｂ（高抵抗領域ＨＲ）における層厚よりも厚い（大きい）。従って、共振器ＯＣ内における外側領域Ｒ２は中央領域Ｒ１よりも低い等価屈折率を有する。すなわち、中央領域Ｒ１は高屈折率領域として機能し、外側領域Ｒ２は中央領域Ｒ１よりも低い屈折率を有する低屈折率領域として機能する。また、本実施例においては、中央領域Ｒ１は、円柱状の形状を有し、外側領域Ｒ２の各々は、円筒状の形状を有する。
【0031】
面発光レーザ１０は、発光構造層ＥＭに電流を印加する第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２を有する。第１の電極Ｅ１は、ｎ型半導体層１３上に形成されている。また、第２の電極Ｅ２は、透光電極層１６上に形成されている。
【0032】
第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２間に電圧が印加されると、発光構造層ＥＭの発光層１４から光が放出される。発光層１４から放出された光は、第１及び第２の反射鏡１２及び１８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）。
【0033】
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１８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１８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ＥＭに垂直な方向に光を出射する。
【0034】
なお、ｐ型半導体層１５の第１の領域１５Ａは、発光層１４における発光中心を画定し、共振器ＯＣの中心軸ＣＡを画定する。共振器ＣＡの中心軸ＣＡは、第１の領域１５Ａの中心を通り、ｐ型半導体層１５（発光構造層ＥＭ）に垂直な方向に沿って延びる。本実施例においては、ｐ型半導体層１５の第１の領域１５Ａの中心は、第２の領域１５Ｂの中心に対応する位置に配置されている。
【0035】
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、４４ペアのＧａＮ層及びＡｌＩｎＮ層からなる。ｎ型半導体層１３は、６５０ｎｍの層厚を有する。発光層１４は、４ｎｍのＩｎＧａＮ層及び５ｎｍのＧａＮ層が３回積層された多重量子井戸構造の活性層からなる。第２の反射鏡１８は、１０ペアのＴａ2Ｏ5層及びＡｌ2Ｏ3層からなる。
【0036】
また、ｐ型半導体層１５は、第１の領域１５Ａにおいて５０ｎｍの層厚を有する。ｐ型半導体層１５は、第２の領域１５Ｂにおいて４０ｎｍの層厚を有する。第１の領域１５Ａは、６μｍの幅（外径）を有する。
【0037】
図３は、面発光レーザ１０の共振器ＯＣの光学的な特性を模式的に示す図である。図３は、図１と同様の断面図であるが、ハッチングを省略している。本実施例においては、上記したように、ｐ型半導体層１５の第１の領域１５Ａ（低抵抗領域ＬＲ）における層厚は、ｐ型半導体層１５の第２の領域１５Ｂ（高抵抗領域ＨＲ）における層厚よりも大きい。また、第１及び第２の反射鏡１２及び１８間の他の各層の層厚は一定である。
【0038】
従って、共振器ＯＣ内における中央領域Ｒ１の等価屈折率ｎ１は、外側領域Ｒ２の等価屈折率ｎ２よりも高い。また、中央領域Ｒ１における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離ＯＬ１は、外側領域Ｒ２の光学距離ＯＬ２よりも大きい。すなわち、中央領域Ｒ１における等価的な共振器長は、外側領域Ｒ２における等価的な共振器長よりも長い。
【0039】
図４は、面発光レーザ１０の共振器ＯＣ内（発光構造層ＥＭ内）における電気的な特性を模式的に示す図である。図４は、発光構造層ＥＭ内を流れる電流ＣＲの経路を模式的に示す図である。図４は、図１と同様の断面図であるが、ハッチングを省略している。本実施例においては、第１の領域１５Ａに対応する中央領域Ｒ１が低抵抗領域ＬＲとして機能し、第２の領域１５Ｂに対応する外側領域Ｒ２は高抵抗領域ＨＲとして機能する。
【0040】
従って、図４に示すように、中央領域Ｒ１においてのみ発光層１４に電流ＣＲが注入され、外側領域Ｒ２においては発光層１４にほとんど電流が注入されない。すなわち、中央領域Ｒ１において光が生成される（利得が生ずる）一方で、外側領域Ｒ２においては光が生成されない。
【0041】
図５は、面発光レーザ１０から出射される光を模式的に示す図である。本実施例においては、面発光レーザ１０内の定在波は、第１の反射鏡１２から外部に取り出される。ここで、当該面発光レーザ１０内で共振した光は、図５に示すように、中央領域Ｒ１に収束しつつ外部に取り出される。なお、図５には、面発光レーザ１０から出射されるレーザ光ＬＢのビーム外縁を破線で模式的に示している。
【0042】
具体的には、まず、本実施例においては、本実施例においては、外側領域Ｒ２における共振器ＯＣ（レーザ媒質）の等価屈折率ｎ２は、中央領域Ｒ１における共振器ＯＣの等価屈折率ｎ１よりも小さい。
【0043】
これによって、共振器ＯＣ内の定在波が中央領域Ｒ１から外側に発散（放射）することによる光損失が抑制される。すなわち、中央領域Ｒ１に多くの光が留まり、またその状態でレーザ光ＬＢが外部に取り出される。従って、多くの光が共振器ＯＣの中心軸ＣＡの近傍に集中し、高出力なレーザ光ＬＢを生成及び出射することができる。
【0044】
また、本実施例においては、等価屈折率の差を設けることで共振器ＯＣ内の光閉じ込め構造が形成されている。従って、強度の低下を伴うことなくほぼ全ての光がレーザ光ＬＢとなる。従って、高効率で高出力なレーザ光ＬＢを生成及び出射することができる。
【0045】
次に、本実施例においては、低抵抗領域ＬＲ、すなわち発光層１４に対する電流注入領域を中央領域Ｒ１のみに制限している。すなわち、外側領域Ｒ２には電流が注入されず、この非電流注入領域を囲むように電流注入領域が設けられている。これによって、レーザ光ＬＢの横モードを安定させることができる。従って、例えば単峰性のレーザ光ＬＢを出射することができる。
【0046】
図６は、比較例１に係る面発光レーザ１００の断面図である。面発光レーザ１００は、第２の領域１５Ｂ上に絶縁層１０１を有する点を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。面発光レーザ１００は、第２の領域１５Ｂにおいては、ｐ型半導体層１５は絶縁層１０１に接している。ｐ型半導体層１５は、第１の領域１５Ａにおいて透光電極層１６に接している。また、絶縁層１０１は、ＳｉＯ2からなる。
【0047】
図７は、面発光レーザ１０と面発光レーザ１００との間のｐ型半導体層１５の上面１５Ｕにおけるエッチング深さ、すなわち第１及び第２の領域１５Ａ及び１５Ｂ間のｐ型半導体層１５に垂直な方向の距離（面発光レーザ１０においては深さＤ１であり、面発光レーザ１００においては深さＤ２に対応する、それぞれ図１及び図６を参照）と、両者の中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ２間の等価屈折率の差を中央領域Ｒ１の等価屈折率で割った値である屈折率段差Δｎ（面発光レーザ１０においては（ｎ１－ｎ２）／ｎ１の値であり、面発光レーザ１００においては（ｎ１１－ｎ２１）／ｎ１１の値に対応する、それぞれ図１及び図６を参照）との関係を示す図である。
【0048】
なお、図７においては、面発光レーザ１０及び１００の両方で共振器長（それぞれ光学距離ＯＬ１及びＯＬ１１に対応する、図１及び図６を参照）を、発光層１４から放出された光（すなわちレーザ光ＬＢ）の波長の５倍又は１０倍になるように設定した場合におけるシミュレーション結果である。
【0049】
図７に示すように、例えば、３×１０-3の屈折率段差Δｎを得ようとすると、面発光レーザ１００においては約２２ｎｍの深さＤ２だけ第２の領域１５Ｂが第１の領域１５Ａから低くなるようにｐ型半導体層１５をエッチングする必要がある。一方、面発光レーザ１０においては、約５ｎｍの深さＤ１だけエッチングするのみで、３×１０-3の屈折率段差Δｎを得ることができることがわかる。また、その他の全範囲において、面発光レーザ１０におけるエッチング深さＤ１を小さくしても十分な屈折率段差を形成することができることがわかる。
【0050】
すなわち、面発光レーザ１０においては、例えば面発光レーザ１００のようにｐ型半導体層１５を部分的に除去した上で絶縁層１０１を形成することで共振器ＯＣ内に屈折率段差を形成する場合に比べ、ｐ型半導体層１５をわずかに除去するのみで十分な屈折率段差を共振器ＯＣ内に形成することができる。
【0051】
従って、まず絶縁層１０１を形成する工程が不要となるため、面発光レーザ１０の製造工程が単純なものとなる。次に、ｐ型半導体層１５を除去する量（例えばエッチング量やエッチング時間）が大幅に減少する。従って、面発光レーザ１０の製造時間が短くなる。
【0052】
なお、透光電極層１６は第１及び第２の領域１５Ａ及び１５Ｂ上に形成されるため、例えば透光電極層１６から第２の反射鏡１８の各層においては、中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ２の境界で段差が生ずる。しかし、上記したようにこの段差はわずか（例えば１０ｎｍ以下）である。従って、この各層の段差により生じ得るレーザ光ＬＢの散乱損失がほとんど無視できる。
【0053】
具体的には、例えばレーザ光ＬＢの波長が４４５ｎｍであり、中央領域Ｒ１における共振器ＯＣの等価屈折率ｎ１が２．４３の場合、この第１及び第２の領域１５Ａ及び１５Ｂ間の段差高さ（エッチング深さ）Ｄ１は、例えば、９．２ｎｍ以下であることが好ましく、また、４．７ｎｍ以下であることがさらに好ましい。この高さ範囲の段差は、レーザ光ＬＢに対して不感となるからである。本実施例においては、絶縁層１０１を不要にすることで、このエッチング深さＤ１の範囲を実現しつつ、所望の屈折率段差を形成することができる。
【0054】
なお、この第２の領域１５Ｂの深さＤ１は、例えば、レーザ光ＬＢの波長を考慮して、中央領域Ｒ１の共振器長及び共振器ＯＣ内に形成する中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ２間の屈折率段差の好ましい範囲を決定し、これを満たすように調節すればよい。例えば、波長が４４５ｎｍのレーザ光ＬＢに対し、安定した単峰性の遠視野像を得ることを考慮すると、中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ２間に、１×１０-3～４×１０-3の範囲内の屈折率差が設けられていることが好ましい。この場合、例えば、第１の領域１５Ａの深さＤ１は、１．５～１２ｎｍの範囲内であることが好ましい。すなわち、高抵抗領域ＨＲは、１．５～１２ｎｍの範囲内の深さで低抵抗領域ＬＲから発光層１４に向かって窪んでいることが好ましい。
【0055】
図８は、各駆動条件を調節した際の面発光レーザ１０から出射されたレーザ光ＬＢの遠視野像及びその特性を示す図である。図８は、第２の領域１５Ｂの幅Ｗ１（低抵抗領域ＬＲの幅であり、本実施例においては内径に対応する、図１を参照）を６μｍとし、共振器長ＯＬ１をレーザ光ＬＢのピーク波長λ（本実施例においては４４５ｎｍ）の１０倍に設定し、中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ２間の屈折率段差Δｎを１．５×１０-3に設定した場合の測定結果である。
【0056】
図８に示すように、５ｍＷを超える光出力を得るように駆動した場合でも、単峰性の遠視野像を得ることができており、また、その半値角は６°以下であった。すなわち、種々の駆動条件で動作させた場合であっても安定した単峰性のレーザ光ＬＢを出射することが可能であることがわかる。このように、面発光レーザ１０は、安定した横モードのレーザ光ＬＢを出射することが可能であることがわかる。
【0057】
【0058】
図９に示すように、面発光レーザ１０は、面発光レーザ１００に比べて光出力の低下が抑えられていることがわかる。すなわち、面発光レーザ１０は、面発光レーザ１００に比べ、出力特性が安定しており、高品質であることがわかる。
【0059】
これは、面発光レーザ１０が面発光レーザ１００に設けられている絶縁層１０１を有しないことに起因すると考えられる。具体的には、絶縁層１０１を形成する場合、ｐ型半導体層１５（半導体ウェハ）に対してプラズマが照射されること、及びｐ型半導体層１５に応力が生ずる。しかし、絶縁層１０１を形成しないことによって、ｐ型半導体層１５に与えるダメージがなくなる。従って、高品質な状態のｐ型半導体層１５を維持した面発光レーザ１０となり、出力特性が安定すると考えられる。
【0060】
このように、本実施例においては、面発光レーザ１０は、ｐ型半導体層１５の上面１５Ｕに不活性化領域１５Ｃが設けられることで高抵抗領域ＨＲとして機能する第２の領域１５Ｂを有する。従って、高品質、高出力でかつ安定した横モードのレーザ光ＬＢを出射することができる。
【0061】
なお、本実施例においては、高抵抗領域ＨＲ及び低抵抗領域ＬＲがｐ型半導体層１５に設けられる場合について説明した。しかし、高抵抗領域ＨＲ及び低抵抗領域ＬＲはｎ型半導体層１３に設けられていてもよい。
【0062】
また、本実施例においては、高抵抗領域ＨＲがドライエッチングによって形成される場合について説明した。しかし、高抵抗領域ＨＲの形成方法はドライエッチングに限定されない。例えば、ｐ型半導体層１５の第２の領域１５Ｂは、ｐ型半導体層１５の表面をわずかに除去した上で、イオン注入を行うことで不活性化領域１５Ｃを形成して形成されてもよい。また、アッシング処理が行われることで不活性化領域１５Ｃが形成されていてもよい。
【0063】
図１０は、本実施例の変形例に係る面発光レーザ１０Ａの断面図である。面発光レーザ１０Ａは、ｐ型半導体層１５の第１の領域１５Ａの外周部におけるｐ型半導体層１５と透光電極層１６との間に絶縁層１９を有する点を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。
【0064】
本変形例においては、例えば、第２の電極Ｅ２の直下の領域を含むｐ型半導体層１５の第２の領域１５Ｂの外周部に絶縁層１９が形成され、絶縁層１９を埋め込むように透光電極層１６が形成されている。
【0065】
本変形例においては、絶縁層１９を部分的に形成することで、ｐ型半導体層１５へのダメージを最小限に抑えつつ、第２の領域１５Ｂと透光電極層１６との間を確実に絶縁することができる。従って、確実に第２の領域１５Ｂを高抵抗化することができる。従って、第２の領域１５Ｂにおける電流のリークなどによる利得低下を抑えることができる。従って、高品質、高出力でかつ安定した横モードのレーザ光ＬＢを出射する面発光レーザ１０Ａとなる。
【0066】
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上に形成された第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（第１の導電型を有する第１の半導体層）１３と、ｎ型半導体層１３上に形成された発光層１４と、発光層１４上に形成され、ｎ型半導体層１３とは反対のｐ型の導電型（第２の導電型）を有し、上面１５Ｕに低抵抗領域ＬＲと低抵抗領域ＬＲの外側において低抵抗領域ＬＲから発光層１４に向かって窪みかつｐ型の不純物が不活性化されることで低抵抗領域ＬＲよりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域ＨＲとを有するｐ型半導体層（第２の半導体層）１５と、低抵抗領域ＬＲ及び高抵抗領域ＨＲに接触してｐ型半導体層１５の上面１５Ｕ上に形成された透光電極層１６と、透光電極層１６上に形成され、第１の反射鏡１２との間で共振器ＯＣを構成する第２の反射鏡１８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であり、単純な構成で高品質な面発光レーザ１０（垂直共振器型発光素子）を提供することができる。
【実施例2】
【0067】
図１１は、実施例２に係る面発光レーザ２０の断面図である。また、図１２は、面発光レーザ２０の模式的な上面図である。面発光レーザ２０は、発光構造層ＥＭ１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。
【0068】
本実施例においては、発光構造層ＥＭ１は、上面２１Ａにおける低抵抗領域ＬＲの内側に高抵抗領域ＨＲを有するｐ型半導体層２１を有する。具体的には、ｐ型半導体層２１は、低抵抗領域ＬＲが環状に設けられ、その内側と外側の両方に高抵抗領域ＨＲを有する。
【0069】
本実施例においては、ｐ型半導体層２１は、上面２１Ｕにおいて環状に設けられて低抵抗領域ＬＲとして機能する第１の領域２１Ａと、第１の領域２１Ａの内側において第１の領域２１Ａから発光層１４に向かって窪みかつ高抵抗領域ＨＲとして機能する第２の領域２１Ｂ１と、第１の領域２１Ａの外側において第１の領域２１Ａから発光層１４に向かって窪みかつ高抵抗領域ＨＲとして機能する第３の領域２１Ｂ２と、を有する。
【0070】
例えば、ｐ型半導体層２１は、環状の領域を残してｐ型半導体層２１の表面にドライエッチングを行うことによって、形成することができる。例えば、第１の領域２１Ａとしての当該環状の領域は、１０．３μｍの外径及び３．５μｍの内径を有する。
【0071】
本実施例においては、共振器ＯＣ１は、第１の領域２１Ａに対応する環状領域Ｒ１１と、第２の領域２１Ｂ１に対応して環状領域Ｒ１１の内側に設けられた内側領域Ｒ２１と、第３の領域２１Ｂ２に対応して環状領域Ｒ１１の外側に設けられた外側領域Ｒ２２と、を有する。また、内側領域Ｒ２１及び外側領域Ｒ２２は、環状領域Ｒ１１よりも低い等価屈折率を有する。また、図１２に示すように、内側領域Ｒ２１は円柱状に形成され、環状領域Ｒ１１及び外側領域Ｒ２２は円筒状に形成されている。
【0072】
本実施例においては、電流は、環状領域Ｒ１１のみに流れることとなる。内側領域Ｒ２１を設けることによって、共振器ＯＣ１このように電流狭窄を行うことで、レーザ光ＬＢの固有モード（スーパーモードとも称される）を安定させることができる。具体的には、例えば環状領域Ｒ１１の幅（第１の領域２１Ａの幅であり、電流注入領域の幅に対応する）を調節することで、種々の固有モードのレーザ光ＬＢを安定して生成することができる。
【0073】
このように、本実施例においては、ｐ型半導体層２１は、低抵抗領域ＬＲの内側に不活性化領域２１Ｃが形成された高抵抗領域ＨＲ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であり、単純な構成で高品質な面発光レーザ２０（垂直共振器型発光素子）を提供することができる。
【符号の説明】
【0074】
１０、１０Ａ、２０ 面発光レーザ（垂直共振器型発光素子）
１５、２１ ｐ型半導体層
１５Ｃ、２１Ｃ 不活性化領域
１５、２１ ｐ型半導体層
１５Ｃ、２１Ｃ 不活性化領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】