ホーム > 特許ランキング > スタンレー電気株式会社
(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】2023-08-14
(45)【発行日】2023-08-22
(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 20060101AFI20230815BHJP
H01S 5/042 20060101ALI20230815BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
H01S5/042 612
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019146049
(22)【出願日】2019-08-08
(65)【公開番号】P2021027267
(43)【公開日】2021-02-22
【審査請求日】2022-07-12
(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】中田 圭祐
(72)【発明者】
【氏名】倉本 大
【審査官】淺見 一喜
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／０４７３１７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１２６０４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３１１６７３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－２１２２７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０９８３２８（ＪＰ，Ａ）
(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】
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た透光性の第１の電極と、
前記第１の電極上に形成された第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の導電型とは反対の第２の導電型を有する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の導電型を有する複数の半導体膜からなり、前記第１の多層膜反射鏡と共に共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、
前記第２の多層膜反射鏡上に形成され、上面及び前記上面から突出する凸部を有し、前記第２の導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記上面上に形成された第２の電極と、を有し、
前記半導体基板の前記凸部は、前記凸部の頂面の近傍において導電性が損なわれたダメージ層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】
前記半導体基板の前記凸部の前記頂面は、研磨されることで鏡面化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】
前記第２の多層膜反射鏡は、前記発光層から放出された光に対して前記第１の多層膜反射鏡よりも小さな反射率を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項4】
前記第１の多層膜反射鏡を埋め込むように前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、前記第１の電極に接続された接続電極を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項5】
前記接続電極は、前記第１の多層膜反射鏡を貫通して前記第１の電極に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項6】
前記半導体基板の前記凸部を覆うように形成された反射防止層を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
【請求項7】
前記第２の電極は、前記凸部から離間して形成されている請求項１乃至６のいずれか１つ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などの垂直共振器型発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、半導体レーザの１つとして、電圧の印加によって光を放出する半導体層と、当該半導体層を挟んで互いに対向する多層膜反射鏡と、を有する垂直共振器型の面発光レーザが知られている。また、当該半導体レーザには、例えば、当該半導体層に電気的に接続された電極が設けられている。例えば、特許文献１には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層にそれぞれ接続されたｎ電極及びｐ電極を有する垂直共振器型の半導体レーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2017-98328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は、対向する反射鏡によって光共振器が形成されている。例えば、面発光レーザ内においては、電極を介して半導体層に電圧が印加されることで、当該半導体層から放出された光が当該光共振器内で共振し、レーザ光が生成される。
【0005】
ここで、面発光レーザ内において低閾値でレーザ発振を起こさせるためには、例えば、電極を介して半導体層に注入される電流が半導体層内において高効率で光に変換されることが好ましい。従って、例えば、面発光レーザなどの垂直共振器型発光素子は、半導体層に低抵抗で電流を注入できる電極構成を有することが好ましい。
【0006】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高効率な電流注入を行うことで高効率な発光動作を行う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、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た透光性の第１の電極と、第１の電極層上に形成された第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の導電型とは反対の第２の導電型を有する第２の半導体層と、第２の半導体層上に形成され、第２の導電型を有する複数の半導体膜からなり、第１の反射鏡と共に共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、第２の多層膜反射鏡上に形成され、上面及び上面から突出する凸部を有し、第２の導電型を有する半導体基板と、半導体基板の上面上に形成された第２の電極と、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上面図である。
【図2】実施例１に係る面発光レーザの断面図である。
【図3】実施例１に係る面発光レーザ内に流れる電流を示す図である。
【図4A】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図4B】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図4C】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図4D】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図4E】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図4F】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図4G】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図4H】実施例１に係る面発光レーザの製造工程を示す図である。
【図5】実施例２に係る面発光レーザの上面図である。
【図6】実施例２に係る面発光レーザの断面図である。
【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）の模式的な上面図である。また、図２は、面発光レーザ１０の断面図である。図２は、図１の２－２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、マウント基板１０Ｍと、マウント基板１０Ｍ上に形成されたｐ電極（接続電極）１１と、ｐ電極１１に埋め込まれて部分的にｐ電極１１から露出するように形成された第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。
【0012】
本実施例においては、第１の反射鏡１２は、第１の誘電体膜（以下、低屈折率誘電体膜と称する）１２Ｌと低屈折率誘電体膜１２Ｌよりも高い屈折率を有する第２の誘電体膜（以下、高屈折率誘電体膜と称する）１２Ｈとが交互に積層された構造を有する。本実施例においては、第１の反射鏡１２は、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。
【0013】
また、本実施例においては、ｐ電極１１は、上面に第１の反射鏡１２を部分的に露出させる開口部を有する。また、第１の反射鏡１２は、ｐ電極１１の当該開口部においてｐ電極１１から突出しつつｐ電極１１から露出する露出部１２Ｅを有する。
【0014】
本実施例においては、第１の反射鏡１２は、ｐ電極１１に埋め込まれた埋設多層膜部分と、当該埋設多層膜部分から段階的に幅が小さくなるように突出する突出多層膜部分と、を有する。本実施例においては、当該突出多層膜部分は、２段階で直径が小さくなるように当該埋設多層膜部分から円柱状に突出した第１の多層膜１２の部分である。
【0015】
また、本実施例においては、第１の反射鏡１２における当該突出多層膜部分の下方部分（本実施例においては下段部）の側面はｐ電極１１に覆われ、上方部分（本実施例においては上段部）の側面及び上面はｐ電極１１から突出して露出している。すなわち、本実施例においては、第１の反射鏡１２の露出部１２Ｅは、当該突出多層膜部分の下方部分の上面と、上方部分の側面及び上面と、を含む。また、第１の反射鏡１２の露出部１２Ｅは、上面視において円形状を有する。
【0016】
面発光レーザ１０は、第１の反射鏡１２の露出部１２Ｅを覆いつつｐ電極１１上に形成された透光電極（第１の電極）１３を有する。本実施例においては、第１の反射鏡１２は、マウント基板１０Ｍ側から透光電極１３側に至る貫通孔を有する。また、ｐ電極１１は、第１の反射鏡１２を部分的に貫通して透光電極１３に接続されている。また、本実施例においては、第１の反射鏡１２は筒状に形成された貫通孔を有し、ｐ電極１１は筒状に第１の反射鏡１２を貫通して透光電極１３に接続されている。
【0017】
また、面発光レーザ１０は、ｐ電極１１及び透光電極１３上に形成され、かつ第１の反射鏡１２の露出部１２Ｅ上において透光電極１３を露出させる開口部１４Ａを有する絶縁層１４を有する。
【0018】
本実施例においては、透光電極１３は、絶縁層１４の開口部１４Ａから露出する露出部１３Ｅを有する。本実施例においては、透光電極１３の露出部１３Ｅは、円形の上面形状を有する。
【0019】
例えば、マウント基板１０Ｍは、熱伝導性の高い材料、例えばＡｌＮなどのセラミックス材料からなる。ｐ電極１１は、Ａｕ、Ａｌ及びＣｕなどの金属材料からなる。第１の反射鏡１２における低屈折誘電体膜１２ＬはＳｉＯ２からなり、高屈折率誘電体膜１２ＨはＮｂ２Ｏ５からなる。透光電極１３は、ＩＴＯ及びＩＺＯなどの透明導電膜からなる。また、絶縁層１４は、ＳｉＯ２及びＳｉＮなどからなる。
【0020】
面発光レーザ１０は、絶縁層１４上に形成され、かつ絶縁層１４の開口部１４Ａにおいて透光電極１３の露出部１３Ｅに接続された光半導体層１５を有する。例えば、光半導体層１５は、窒化物系半導体からなる複数の半導体層を含む。透光電極１３の露出部１３Ｅは、透光電極１３（ｐ電極１１）と光半導体層１５とを電気的に接続するコンタクト領域として機能する。
【0021】
本実施例においては、光半導体層１５は、透光電極１３の露出部１３Ｅに接しつつ絶縁層１４上に形成されたｐ型半導体層（第１の導電型を有する第１の半導体層）１５Ｐと、ｐ型半導体層１５Ｐ上に形成された発光層（活性層）１５Ａと、発光層１５Ａ上に形成されたｎ型半導体層（第２の半導体層、第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する半導体層）１５Ｎと、を有する。
【0022】
本実施例においては、ｎ型半導体層１５Ｎは、ＧａＮの組成を有し、Ｓｉをｎ型不純物として含む。発光層１５Ａ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１５Ｐは、ＧａＮ系の組成を有し、Ｍｇをｐ型不純物として含む。
【0023】
なお、光半導体層１５の構成はこれに限定されない。例えば、ｎ型半導体層１５Ｎ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、発光層１５Ａは、単一量子井戸構造を有していてもよいし、単層構造を有していてもよい。
【0024】
また、ｐ型半導体層１５Ｐ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。例えば、ｐ型半導体層１５Ｐは、透光電極１３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１５Ｐは、当該コンタクト層と発光層１５Ａとの間に、クラッド層としてのＧａＮ層を有していればよい。
【0025】
また、光半導体層１５は、例えば、発光層１５Ａとｐ型半導体層１５Ｐとの間に、発光層１５Ａに注入された電子のｐ型半導体層１５Ｐ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）を有していてもよい。例えば、当該電子ブロック層は、ＡｌＧａＮの組成を有していてもよい。また、当該電子ブロック層は、不純物を含んでいてもよく、例えばｐ型の不純物を有し、ｐ型の導電型を有していてもよい。
【0026】
面発光レーザ１０は、光半導体層１５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）１６を有する。第２の反射鏡１６は、光半導体層１５を挟んで第１の反射膜１２に対向して配置されている。第２の反射鏡１６は、第１の反射鏡１２と共に、光半導体層１５に垂直な方向（マウント基板１０Ｍに垂直な方向）を共振器長方向とする共振器１０Ｃを構成する。
【0027】
本実施例においては、第２の反射鏡１６は、第１の半導体膜（以下、低屈折率半導体膜と称する）１６Ｌと低屈折率半導体膜１６Ｌよりも高い屈折率を有する第２の半導体膜（以下、高屈折率半導体膜と称する）１６Ｈとが交互に積層された構造を有する。すなわち、本実施例においては、第２の反射鏡１６は、半導体材料からなる分布ブラッグ反射器を構成する。
【0028】
例えば、第２の反射鏡１６における低屈折率半導体膜１６Ｌ及び高屈折率半導体膜１６Ｈの各々は、光半導体層１５と同種の半導体材料、本実施例においては窒化物系半導体材料からなる。例えば、低屈折率半導体膜１６ＬはＡｌＩｎＮからなり、高屈折率半導体膜１６ＨはＧａＮからなる。
【0029】
また、本実施例においては、第２の多層膜１６は、ｎ型の導電型を有する。本実施例においては、低屈折率半導体膜１６Ｌ及び高屈折率半導体膜１６Ｈの各々は、ｎ型不純物を含む。例えば、本実施例においては、低屈折率半導体膜１６Ｌ及び高屈折率半導体膜１６Ｈは、それぞれＳｉを含むＡｌＩｎＮ膜及びＧａＮ膜である。
【0030】
面発光レーザ１０は、第２の反射鏡１６上に形成された半導体基板１７を有する。半導体基板１７は、光半導体層１５及び第２の反射鏡１６と同種の半導体材料、本実施例においては窒化物系半導体材料からなる。半導体基板１７は、発光層１５Ａから放出された光に対して透光性を有する。
【0031】
また、本実施例においては、半導体基板１７は、光半導体層１５及び第２の反射鏡１６の結晶成長に用いられる成長用基板である。例えば、半導体基板１７は、ＧａＮの組成を有する。また、本実施例においては、半導体基板１７と第２の反射鏡１６との間にはＧａＮの組成を有するバッファ層（図示せず）を有する。
【0032】
また、本実施例においては、半導体基板１７は、ｎ型の導電型を有する。本実施例においては、半導体基板１７は、ｎ型不純物を有する半導体材料からなり、本実施例においてはＳｉを含むＧａＮ基板である。
【0033】
また、半導体基板１７は、上面１７Ｓ及び上面１７Ｓから突出した凸部１７Ｐを有する。凸部１７Ｐは、研磨されることで鏡面化された頂面１７ＰＳを有する。また、凸部１７Ｐは、頂面１７ＰＳから所定の深さの領域に形成され、研磨されることで導電性が損なわれたダメージ層１７Ａを有する。
【0034】
本実施例においては、凸部１７Ｐは、半導体基板１７における上面１７Ｓから円柱状に突出した部分である。また、凸部１７Ｐは、凸部１７Ｐの中心軸が透光電極１３における露出部１３Ｅ（すなわち光半導体層１５とのコンタクト領域）の中心を通る位置に配置されるように、形成されている。また、本実施例においては、凸部１７Ｐの幅（直径）Ｄ２は、透光電極１３の露出部１３Ｅの幅（直径）Ｄ１よりも大きい。
【0035】
また、本実施例においては、半導体基板１７の上面１７Ｓは、エッチングによって除去された半導体基板１７の表面領域である。より具体的には、半導体基板１７の上面１７Ｓは、研磨された後にドライエッチングによって当該研磨面が除去されて表出した半導体基板１７の表面領域である。従って、半導体基板１７の上面１７Ｓは、ｎ型の導電型を示す領域である。また、本実施例においては、半導体基板１７の凸部１７Ｐは、ドライエッチングされずに研磨面が残存した半導体基板１７の表面領域である。
【0036】
面発光レーザ１０は、半導体基板１７の上面１７Ｓ上に形成され、凸部１７Ｐを囲む開口部１８Ａを有するｎ電極（第２の電極）１８を有する。本実施例においては、ｎ電極１８は、Ａｕ、Ａｌ及びＣｕなどの金属材料からなる。
【0037】
また、本実施例においては、ｎ電極１８は、半導体基板１７上に層状に形成されている。また、ｎ電極１８の開口部１８Ａは、半導体基板１７の凸部１７Ｐの幅よりも大きな開口幅を有し、凸部１７Ｐから離間して形成されている。
【0038】
面発光レーザ１０は、半導体基板１７の凸部１７Ｐを埋設するようにｎ電極１８上に形成された反射防止層１９を有する。反射防止層１９は、例えば、誘電体多層膜からなり、本実施例においては、Ｔａ２Ｏ５層及びＳｉＯ２層が複数回交互に積層された構造を有する。反射防止層１９は、発光層１５Ａから放出された光が半導体基板１７の凸部１７Ｐの頂面１７ＰＳで反射することを抑制する。
【0039】
本実施例においては、透光電極１３の露出部１３Ｅ（すなわち絶縁層１４の開口部１４Ａ）は、発光層１５Ａの発光領域の中心である発光中心を画定し、共振器１０Ｃの中心軸（以下、発光中心軸と称する）ＡＸを画定する。共振器１０Ｃの中心軸ＡＸは、透光電極１３の露出部１３Ｅの中心を通り、光半導体層１５に垂直な方向に沿って延びる。
【0040】
なお、発光層１５Ａの発光領域とは、例えば、発光層１５Ａ内における所定の強度以上の光が放出される所定の幅の領域であり、その中心が発光中心である。また、例えば、発光層１５Ａの発光領域とは、発光層１５Ａ内において所定の密度以上の電流が注入される領域であり、その中心が発光中心である。また、当該発光中心を通るマウント基板１０Ｍに垂直な直線が発光中心軸ＡＸである。発光中心軸ＡＸは、第１及び第２の反射鏡１２及び１６によって構成される共振器１０Ｃの共振器長方向に沿って延びる直線である。また、発光中心軸ＡＸは、面発光レーザ１０から出射されるレーザ光の光軸に対応する。
【0041】
また、本実施例においては、第２の反射鏡１６は、第１の反射鏡１２よりも小さな光反射性を有する。また、第２の反射鏡１６は、発光層１５Ａから放出された光に対して透光性を有する。第２の反射鏡１６は、発光層１５Ａから放出された光の大部分を反射させ、かつ共振器１０Ｃ内で共振したレーザ光ＬＢの一部を透過させて共振器１０Ｃの外側に出射する。
【0042】
従って、本実施例においては、面発光レーザ１０は、共振器１０Ｃ内に生成されるレーザ光ＬＢを半導体基板１７の凸部１７Ｐの頂面１７ＰＳから出射するように構成されている。
【0043】
換言すれば、面発光レーザ１０は、半導体基板１７の凸部１７Ｐの領域を光取り出し領域として有し、半導体基板１７の凸部１７Ｐの周囲の領域である上面１７Ｓの領域（凸部１７Ｐに対する凹部領域と称することもできる）を光半導体層１５へのコンタクト領域として有する。
【0044】
図３は、面発光レーザ１０内の電流経路を模式的に示す図である。本実施例においては、図３の破線に示すように、透光電極１３（ｐ電極１１）及びｎ電極１８間に流れる電流ＣＲは、ほぼ光半導体層１５及び第２の反射鏡１６に垂直な方向（以下、縦方向と称する）に沿って流れる。この電流ＣＲの経路は、光半導体層１５に電流を注入する上で最も電気抵抗が小さくなる経路といえる。
【0045】
具体的には、まず、面発光レーザ１０のように、縦方向において対向する電極を配置した場合、電極間の距離は、約２００μｍ未満となる場合が多い。これは、面発光レーザ１０自体にある程度の機械的強度がなければハンドリングできないため、半導体基板１７の厚みとして、概ね８０～２００μｍ程度を残す必要があるためである。
【0046】
一方、仮に、光半導体層１５を部分的に除去するなどし、光半導体層１５に平行な方向（以下、横方向と称する）に電極を配置した場合、電流は、光半導体層１５に平行な方向に流れることとなる。また、この場合、安定した放熱特性や電気的特性を考慮すると、当該電極間の電流経路の距離は約５０μｍ以上となる場合が多い。
【0047】
ここで、光半導体層１５内の電気抵抗は、光半導体層１５内を流れる電流経路の距離に比例し、電流経路の断面積に反比例する。そして、縦方向に電極を配置する場合、電流経路の断面積は、横方向に電極を配置する場合に比べて、電流経路の距離の差を打ち消すほど大きい。例えば、縦方向の電極配置の場合の電流経路の断面積は、横方向の電極配置の場合の電流経路の断面積よりも２桁以上大きい（１００倍を大きく超える断面積である）。従って、縦方向に電極を配置することで、電極間の電気抵抗を横方向の場合よりもはるかに小さくすることができる。
【0048】
従って、電流ＣＲは、光半導体層１５内において、無駄になることなく、発光層１５Ａに注入され、高効率で光に変換されることとなる。従って、光半導体層１５は、高効率な発光動作を行うことができる。
【0049】
また、本実施例においては、レーザ光ＬＢは、鏡面化された半導体基板１７の凸部１７Ｐの頂面１７ＰＳから出射する。これは、レーザ光ＬＢの出力及びビーム形状を安定させる上で最も好ましい構成となる。
【0050】
具体的には、面発光レーザ１０のように縦方向に電極を配置する場合において、高い電気的特性を得ること、及びレーザ光ＬＢが出力を低下させずに出射されることを考慮すると、半導体基板１７はある程度薄い方が好ましい。
【0051】
また、レーザ光ＬＢのビーム形状や出力分布など、レーザ光ＬＢの光学特性を安定させることを考慮すると、レーザ光ＬＢの出射面である凸部１７Ｐの頂面１７ＰＳは、高度に平坦化されていることが好ましい。この場合、例えば、半導体基板１７となる成長用基板を薄くする加工を行った上で、研磨などの鏡面化処理を行うことが用いられる。
【0052】
しかし、本願の発明者らは、研磨を行うことによって、成長用基板の研磨面の近傍に導電性を有さない領域が形成されるというデメリットを有することに着目した。また、本願の発明者らは、研磨面上にｎ電極１８を形成した場合、ｐ電極１１との導通がとれなかったことを実験によって確認した。
【0053】
これに対し、本実施例においては、光出射面となる部分を除いて成長用基板の研磨面を除去することで、レーザ光ＬＢの光路となる部分以外の半導体基板１７の表面領域である上面１７Ｓの領域をｎ電極１８とのコンタクト領域として用いる。従って、光半導体層１５を挟んで、半導体基板１７の上面１７Ｓと透光電極１３の露出部１３Ｅとの間で、良好な縦方向の電流ＣＲの経路を形成することができる。
【0054】
従って、面発光レーザ１０は、高効率な電流注入を行うことで高効率な発光動作を行うことが可能な発光素子となる。また、面発光レーザ１０は、安定した高出力なレーザ光ＬＢを出射することが可能なレーザ素子となる。また、凸部１７Ｐ上に反射防止層１９が設けられていることで、より安定して高い出力及び光学特性のレーザ光ＬＢを出射することができる。
【0055】
なお、半導体基板１７における凸部１７Ｐの形状及びサイズなどは、例えば、レーザ光ＬＢのビーム形状、放射角などに基づいて設計することができる。例えば、発光層１５Ａをレーザ光ＬＢの出射点とし、ｎ型半導体層１５Ｎからレーザ光ＬＢが半導体基板１７の凸部１７Ｐの頂面１７ＰＳまでの距離と、ｎ型半導体層１５Ｎ、第２の反射鏡１６及び半導体基板１７内でのレーザ光ＬＢの放射角と、を考慮すると、半導体基板１７の凸部１７Ｐの頂面１７ＰＳでのレーザ光ＬＢのビーム形状及びビーム幅（ビーム径）を算出することができる。
【0056】
また、本実施例においては、半導体基板１７における上面１７Ｓに対する凸部１７Ｐの高さは、ｎ電極１８の厚さ（上面１７Ｓからの高さ）よりも大きい。これによって、レーザ光ＬＢが凸部１７Ｐの頂面１７ＰＳから出射された後に、当該レーザ光ＬＢの外縁部がｎ電極１８によって吸収されることが抑制される。従って、レーザ光ＬＢを設計上のビーム形状及び出力で安定して出射することができる。
【0057】
また、本実施例においては、ｎ電極１８の開口部１８Ａは、半導体基板１７の凸部１７Ｐの幅Ｄ２よりも大きい開口径を有する。従って、ｎ電極１８は、凸部１７Ｐの側面から離間している。これは、ｎ電極１８の製造上好ましい。具体的には、ｎ電極１８となる金属層をリフトオフによって形成する場合において、当該金属層をリフトオフする際に当該金属層の端部にバリが発生する場合がある。この場合においても、凸部１７Ｐよりも大きなマスクを用いてｎ電極１８を形成することで、当該バリが凸部１７Ｐ上に形成されることを抑制することができる。
【0058】
また、本実施例においては、ｐ電極１１がマウント基板１１のほぼ全面に接している。これによって、ｐ電極１１は、光半導体層１５から発生する熱を効果的にマウント基板１１に送る放熱経路を形成することができる。従って、面発光レーザ１０は、高い放熱性能を有し、長時間及び大電流で駆動した場合でも安定して動作する発光素子となる。
【0059】
また、本実施例においては、ｐ電極１１は、第１の反射鏡１２を貫通して透光電極１３に接続されている。従って、光半導体層１５からの熱を効果的にマウント基板１０Ｍに送る経路を形成することができる。また、ｐ電極１１は、発光中心軸ＡＸを包むように筒状に第１の反射鏡１２を貫通するように形成されている。これによって、大きな放熱効果が期待できる。
【0060】
図４Ａ～図４Ｈの各々は、面発光レーザ１０の製造過程を示す断面図である。図４Ａ～図４Ｈを用いて、面発光レーザ１０の製造方法の例について説明する。なお、図４Ａ～図４Ｈの各々は、面発光レーザ１０の製造過程における図２と同様の断面図である。
【0061】
まず、図４Ａに示すように、半導体基板１７となる成長用基板１７Ｗを準備し、成長用基板１７Ｗ上に第２の反射鏡１６、光半導体層１５を成長させる。例えば、第２の反射鏡１６及び光半導体層１５の成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いることができる。
【0062】
具体的には、まず、成長用基板１７Ｗとして平板状のｎ型のＧａＮ基板を準備した。また、当該ＧａＮ基板上にバッファ層としてのｎ－ＧａＮ層を成長させた後、当該バッファ層上に高屈折率半導体膜１６Ｈとしてのｎ－ＧａＮ膜及び低屈折率半導体膜１６Ｌとしてのｎ－ＡｌＩｎＮ膜を交互に複数回成長させる。これによって、成長用基板１７Ｗ上に第２の反射鏡１６が形成される。
【0063】
次に、第２の反射鏡１６上に、ｎ型半導体層１５Ｎとしてのｎ－ＧａＮ層、発光層１５Ａとしての複数ペアのＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層、並びにｐ型半導体層１５Ｐとしてのｐ－ＧａＮ層をそれぞれ成長させる。これによって、第２の反射鏡１６上に光半導体層１５が形成される。
【0064】
続いて、光半導体層１５上に絶縁層１４を形成する。本実施例においては、ｐ型半導体層１５Ｐ上に、ＳｉＯ２層を形成し、当該ＳｉＯ２層の一部に開口部を形成した。これによって、開口部１４Ａを有する絶縁層１４が形成される。
【0065】
次に、絶縁層１４上に透光電極１３を形成する。本実施例においては、絶縁層１４の開口部１４Ａにおいてｐ型半導体層１５Ｐの上面に接するように、絶縁層１４上に透光電極１３としてのＩＴＯを層状に形成した。
【0066】
続いて、絶縁層１４上にｐ電極１１の一部をなす層状電極１１Ａを形成する。本実施例においては、層状電極１１Ａとして、絶縁層１４の開口部１４Ａの幅Ｄ１よりも大きな開口幅の開口部１１Ｂを有する金属層を形成した。層状電極１１Ａの開口部１１Ｂは、層状電極１１Ａに垂直な方向から見たときに絶縁層１４の開口部１４Ａに重なるように（本実施例においては開口部１４Ａを取り囲むように）配置した。
【0067】
次に、図４Ｂに示すように、成長用基板１７Ｗの第２の反射鏡１６とは反対側の表面から成長用基板１７Ｗを切削及び研磨する。具体的には、まず、成長用基板１７Ｗを切削又は切断し、成長用基板１７Ｗの厚さを小さくする。そして、当該切削面に対し、研削及び研磨処理を行う。これによって、成長用基板１７Ｗにおける第２の反射鏡１６とは反対側の面が鏡面化された成長用基板１７ＷＧが形成される。
【0068】
ここで、成長用基板１７Ｗの研磨処理を行うことで、当該研磨された面の近傍においては、ｎ型の導電性が損なわれる。従って、研磨後の成長用基板１７ＷＧには、非常に抵抗が高く、そのままｎ電極を形成しても非オーミック接触となる高抵抗領域１７ＤＡ、すなわち半導体基板１７のダメージ層１７Ａとなる表面領域が形成される。
【0069】
続いて、図４Ｃに示すように、開口部１１Ｂを埋め込むように、層状電極１１Ａ上に、第１の反射鏡１２となる高屈折率誘電体膜１２Ｈ及び低屈折率誘電体膜１２Ｌからなる誘電体多層膜１２ＭＬを形成する。本実施例においては、高屈折率誘電体膜１２Ｈ及び低屈折率誘電体膜１２Ｌとして、それぞれＮｂ２Ｏ５膜及びＳｉＯ２膜Ｎｂ２Ｏ５を交互に複数回積層した。
【0070】
次に、図４Ｄに示すように、誘電体多層膜１２ＭＬの一部を除去し、層状電極１１Ａを露出させる。本実施例においては、層状電極１１Ａの開口部１１Ｂが層状電極１１Ａの当該誘電体多層膜１２ＭＬから露出した部分によって環状に囲まれるように、誘電体多層膜１２ＭＬが筒状に除去された領域を形成する。
【0071】
また、本実施例においては、層状電極１１Ａの当該誘電体多層膜１２ＭＬから露出した部分が透光電極１３上の領域に配置されるように、誘電体多層膜１２ＭＬを除去する。誘電体多層膜１２ＭＬを部分的に除去することで、層状電極１１Ａ上に第２の反射鏡１２が形成される。
【0072】
続いて、図４Ｅに示すように、第２の反射鏡１２を埋設するように、かつ第２の反射鏡１２から露出した層状電極１１Ａに接するように、ｐ電極１１をなす埋設電極１１Ｃを形成する。また、埋設電極１１Ｃの上面を平坦化する。埋設電極１１Ｃは、例えば層状電極１１Ａと同様の金属材料からなる。これによって、層状電極１１Ａ及び埋設電極１１Ｃの全体は、部分的に第２の反射鏡１２を露出させつつ第２の反射鏡１２を埋設するｐ電極１１となる。
【0073】
次に、図４Ｆに示すように、ｐ電極１１側から成長用基板１７ＷＧをマウント基板１０Ｍに接合する。例えば、マウント基板１０Ｍとしてセラミックス基板を準備し、当該セラミックス基板の上面に金属層（図示せず）を形成した後、ｐ電極１１を当該金属層に接合する。これによって、マウント基板１０Ｍに、光半導体層１５、第１及び第２の反射鏡１２及び１６と共に成長用基板１１ＷＧが搭載される。
【0074】
続いて、図４Ｇに示すように、成長用基板１７ＷＧをダメージ領域１７ＤＡ側から部分的に除去する。例えば、成長用基板１７ＷＧの当該部分的な除去には、ドライエッチングなどの加工技術を用いることができる。これによって、成長用基板１７ＷＧの当該除去されなかった部分は、当該除去されて露出した表面から突出することとなる。
【0075】
また、当該除去されなかった部分には、ダメージ領域１７ＤＡが残存することとなる。一方、当該除去された部分は、ダメージ領域１７ＤＡを有さず、ｎ型の導電型を示す部分となる。これによって、上面１７Ｓ及び上面１７Ｓから突出した凸部１７Ｐを有し、凸部１７Ｐの上面にダメージ層１７Ａを有する半導体基板１７が形成される。
【0076】
次に、図４Ｈに示すように、半導体基板１７上に金属層を形成し、当該金属層に凸部１７Ｐを露出させる開口部を形成する。これによって、ｎ電極１８が形成される。また、半導体基板１７の凸部１７Ｐを埋め込みつつｎ電極１８上に誘電体の多層膜を形成することで、反射防止層１９が形成される。面発光レーザ１０は、例えばこのようにして作製されることができる。
【0077】
なお、本実施例においては、半導体基板１７が凸部１７Ｐに鏡面化された頂面１７ＰＳを有し、頂面１７ＰＳの近傍に導電性が損なわれたダメージ層１７Ａを有する場合について説明した。しかし、半導体基板１７の構成はこれに限定されない、半導体基板１７は、少なくともｎ電極１８が形成される上面１７Ｓ及び上面１７Ｓから突出して光出射面として機能する凸部１７Ｐを有していればよい。これによって、半導体基板１７を介した縦方向の導通と凸部１７Ｐからの良好な光出射を行うことができる。
【0078】
また、本実施例においては、半導体基板１７における凸部１７Ｐ以外の表面領域である上面１７Ｓがドライエッチングによって表出した半導体基板１７の表面領域である場合について説明した。しかし、半導体基板１７の上面１７Ｓは、ｎ型の導電型を示す表面領域であればよく、その形成方法はエッチングに限定されない。
【0079】
また、本実施例においては、第１の反射鏡１２は、ｐ電極１１に埋め込まれるように形成されており、ｐ電極１１から突出して露出する露出部１２Ｅを有する場合について説明した。また、透光電極１３がｐ電極１１に接続されている場合について説明した。しかし、ｐ電極１１、第１の反射鏡１２及び透光電極１３の構成はこれに限定されない。
【0080】
例えば、面発光レーザ１０は、少なくとも第１の反射鏡１２及び第１の反射鏡１２上に形成されたｐ側電極として機能する透光電極１３を有していればよい。また、透光電極１３上に絶縁層１４が設けられている場合について説明した。しかし、絶縁層１４は設けられていなくてもよい。例えば、ｐ型半導体層１５Ｐにおける透光電極１３上の領域の一部が低抵抗化されていれば、この領域が電流注入領域として機能する。また、反射防止層１９は、設けられていなくてもよい。
【0081】
このように、本実施例においては、面発光レーザ１０は、第１の反射鏡１２と、第１の反射鏡１２上に形成された透光電極（第１の電極）１３と、透光電極１３上に形成されたｐ型半導体層１５Ｐ（第１の半導体層）と、ｐ型半導体層１５Ｐ上に形成された発光層１５Ａと、発光層１５Ａ上に形成されたｎ型半導体層１５Ｎと、ｎ型半導体層１５Ｎ上に形成され、ｎ型の導電型（第２の導電型）を有する複数の半導体膜からなる第２の反射鏡１６と、第２の反射鏡１６上に形成され、上面１７Ｓ及び上面１７Ｓから突出した凸部１７Ｐを有し、かつｎ型の導電型を有する半導体基板１７と、半導体基板１７の上面１７Ｓ上に形成されたｎ電極１８と、を有する。従って、高効率な電流注入を行うことで高効率な発光動作を行う面発光レーザ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】
【0082】
【0083】
本実施例においては、面発光レーザ２０は、複数の露出部２１Ｐを有する第１の反射鏡２１、当該露出部２１Ｐの各々に対応する複数の開口部２３Ａを有する絶縁層２３、複数の露出部２２Ｅを有する透光電極２２、及び複数の凸部２４Ａを有する半導体基板２４を有する。すなわち、面発光レーザ２０は、複数の光出射部を有し、複数の発光中心軸ＡＸを有する。
【0084】
より具体的には、第１の反射鏡２１は、第１の反射鏡１２における低屈折率誘電体膜１２Ｌ及び高屈折率誘電体膜１２Ｈとそれぞれ同様の低屈折率誘電体膜２１Ｌ及び高屈折率誘電体膜２１Ｈが交互に積層された構造を有する。また、第１の反射鏡２１は、各々がｐ電極１１から露出した複数の露出部２１Ｅを有する。本実施例においては、第１の反射鏡２１が第２の反射鏡１６と共に共振器２０Ｃを構成する。
【0085】
また、透光電極２２は、第１の反射鏡２１の複数の露出部２１Ｅの各々を覆いつつ第１の反射鏡２１上に形成されている。また、絶縁層２３は、透光電極２２における第１の反射鏡２１の露出部２１Ｅ上の領域において透光電極２２を露出させる開口部２３Ａを有する。これによって、透光電極２２は、各々が絶縁層２３から露出する複数の露出部２２Ｅを有する。すなわち、光半導体層１５のｐ型半導体層１５Ｐには、複数の透光電極２２とのコンタクト領域が形成されている。
【0086】
また、半導体基板２４は、上面２４Ｓと、透光電極２２の複数の露出部２２Ｅ上にそれぞれ形成されかつ各々が上面２４Ｓから露出した複数の凸部２４Ｐと、を有する。また、凸部２４Ｐの各々は、上面の近傍にダメージ層２４Ａを有する。
【0087】
また、面発光レーザ２０は、半導体基板２４の上面２４Ｓ上に形成され、複数の凸部２４Ｐをそれぞれ囲む複数の開口部２５Ａを有するｎ電極２５を有する。また、面発光レーザ２０は、半導体基板２４の凸部２４Ｐ及びｎ電極２５を覆うように形成された反射防止層２６を有する。また、面発光レーザ２０は、ｎ電極２５に接続されたパッド電極２７を有する。
【0088】
本実施例においては、面発光レーザ２０は、半導体基板２４の複数の凸部２４Ｐをレーザ光ＬＢの出射部として有する。この面発光レーザ２０においても、半導体基板２４の凸部２４Ｐ以外の領域をｎ電極２５とのコンタクト領域として使用することで、縦方向の良好な導通を形成することが可能となり、光半導体層１５に対して高効率な電流注入を行うことが可能となる。従って、高効率な電流注入を行うことで高効率な発光動作を行う面発光レーザ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】
【0089】
１０、２０ 面発光レーザ（垂直共振器型発光素子）
１１ ｐ電極（接続電極）
１２、２１ 第１の反射鏡
１３、２２ 透光電極（第１の電極）
１５ 光半導体層
１６ 第２の反射鏡
１７、２４ 半導体基板
１１ ｐ電極（接続電極）
１２、２１ 第１の反射鏡
１３、２２ 透光電極（第１の電極）
１５ 光半導体層
１６ 第２の反射鏡
１７、２４ 半導体基板
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図5】
【図6】