特許 7581248 垂直共振器型発光素子

(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】2024-11-01

(45)【発行日】2024-11-12

(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 20060101AFI20241105BHJP

   H01S 5/323 20060101ALI20241105BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20241105BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

H01S5/323 610

H01S5/343 610

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2021569805

(86)(22)【出願日】2020-12-18

(86)【国際出願番号】 JP2020047403

(87)【国際公開番号】W WO2021140871

(87)【国際公開日】2021-07-15

【審査請求日】2023-11-01

(31)【優先権主張番号】P 2020001533

(32)【優先日】2020-01-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０３７６７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０９９２９５３６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１９－１３５７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１２８３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９８３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０２０７９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１９４２４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２７０４３２（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】

窒化ガリウム系半導体基板と、
前記基板上に形成された窒化物半導体よりなる第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第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、
前記半導体構造層の前記第１の半導体層に電気的に接触している第１の電極層と、
前記半導体構造層の上面に形成され前記上面の１の領域において前記半導体構造層の前記第２の半導体層に電気的に接触している第２の電極層と、
前記電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、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、を有し、
前記半導体構造層は、前記１の領域を囲繞する領域に前記上面から前記活性層を貫通する１または複数の凹部を含む１の凹構造を有し、
前記半導体構造層の前記上面の前記１の領域は、環状の領域であり、前記１の領域の内側に前記上面から前記活性層を貫通する１または複数の凹部を含む他の凹構造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】

窒化ガリウム系半導体基板と、
前記基板上に形成された窒化物半導体よりなる第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第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、
前記半導体構造層の前記第１の半導体層に電気的に接触している第１の電極層と、
前記半導体構造層の上面に形成され前記上面の１の領域において前記半導体構造層の前記第２の半導体層に電気的に接触している第２の電極層と、
前記電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、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、を有し、
前記半導体構造層は、前記１の領域を囲繞する領域に前記上面から前記活性層を貫通する１または複数の凹部を含む１の凹構造を有し、
前記窒化ガリウム系半導体基板は第１の導電型を備え、
前記第１の電極層は、前記基板の前記半導体構造層とは反対側の面であって、かつ、前記基板の法線方向から見て前記１の領域に対応する領域を除く箇所に配置されており、
前記第１の電極層は、前記基板の法線方向から見て前記１の領域に対応する領域に開口を備えた形状を有し、
前記窒化ガリウム系半導体基板は、前記開口から前記基板の一部が突出している突出部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3】

前記１または複数の凹部は、前記半導体構造層の面内方向に対して垂直な方向からみて回転対称に設けられてい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１または複数の凹部は、前記半導体構造層の面内方向に対して垂直な方向からみて環状に設けられている溝であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項5】

前記凹構造は、前記半導体構造層の面内方向に対して垂直な方向からみて、前記第２の多層膜反射鏡と重なるように形成されて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】

前記凹構造は、前記半導体構造層の面内方向に対して垂直な方向からみて、前記第２の多層膜反射鏡の周囲に形成されて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7】

前記半導体構造層の前記上面の前記１の領域の外側の領域及び前記１または複数の凹部の内面は、絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項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。

【請求項8】

前記第１の半導体層はメサ形状の構造を含み、前記メサ形状の構造は前記活性層および前記第２の半導体層を含み、
前記メサ形状の構造の周囲に存在する前記第１の半導体層の上面に前記第１の電極層が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項9】

前記第１の多層膜反射鏡は、前記窒化ガリウム系半導体基板のＣ面上またはＣ面から０．５°以内にオフした面上に形成されている請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項10】

前記凹構造は、前記１の領域を囲繞する断続的に形成された複数の溝部からなる環状構造であ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11】

窒化ガリウム系半導体基板と、
前記基板上に形成された窒化物半導体よりなる第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第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、
前記半導体構造層の前記第１の半導体層に電気的に接触している第１の電極層と、
前記半導体構造層の上面に形成され前記上面の１の領域において前記半導体構造層の前記第２の半導体層に電気的に接触している第２の電極層と、
前記電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、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、を有し、
前記半導体構造層は、前記１の領域を囲繞する領域に前記上面から前記活性層を貫通する１または複数の凹部を含む１の凹構造を有し、
前記窒化ガリウム系半導体基板の前記第１の多層膜反射鏡が形成されている面は、ｃ面からｍ面及びａ面のうちの１の結晶面にオフセットした面であり、前記１または複数の凹部は、半導体構造層の上面において、前記１の領域から見て前記１の結晶面に垂直な１の軸に沿った方向にある領域に延在しており、前記１の軸に沿った方向と垂直な方向にある領域に形成されていないことを特徴とする垂直共振器型発光素子。

【請求項12】

前記１の結晶面はｍ面であることを特徴とする請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項13】

前記１または複数の凹部は、前記１の領域の外縁に沿った形状であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項14】

前記１の領域を囲繞する領域は、前記１の領域の外縁からの距離が５０μｍ以下の領域であり、かつ前記垂直共振器型発光素子を上方から見た際の前記活性層の発光強度が、前記活性層の発光強度のピークの１．８％以下になる領域であることを特徴とする請求項１１乃至１３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（VCSEL:vertical cavity surface emitting laser）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半導体面発光レーザ（以下、単に面発光レーザとも称する）が知られている。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】

しかし、垂直共振器型の半導体レーザ素子には、例えば、活性層を含む半導体層の面内方向に共振器を有する水平共振器型の半導体レーザに比べ発光効率が低いということが課題の一例として挙げられる。

【0006】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高い発光効率を有す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】

【0007】

本発明による垂直共振器型発光素子は、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た第１の導電型を有する第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された発光層、及び前記発光層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する第２の半導体層を含む半導体構造層と、前記半導体構造層の上面に形成され前記上面の１の領域において前記半導体構造層の前記第２の半導体層に電気的に接触している電極層と、前記電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、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、を有し、前記半導体構造層は、前記１の領域を囲繞する領域に前記上面から前記発光層を貫通する１または複数の凹部を含む１の凹構造を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例１の面発光レーザの斜視図である

【図2】実施例１の面発光レーザの上面図である。

【図3】実施例１の面発光レーザの断面図である。

【図4】実施例２の面発光レーザの斜視図である。

【図5】実施例２の面発光レーザの断面図である。

【図6】実施例３の面発光レーザの斜視図である。

【図7】実施例３の面発光レーザの上面図である。

【図8】実施例３の面発光レーザの断面図である。

【図9】実施例４の面発光レーザの斜視図である。

【図10】実施例４の面発光レーザの断面図である。

【図11】変形例の面発光レーザの上面図である。

【図12】変形例の面発光レーザの上面図である。

【図13】変形例の面発光レーザの上面図である。

【図14】実施例５の面発光レーザの斜視図である。

【図15】実施例５の面発光レーザの上面図である。

【図16】変形例の面発光レーザの上面図である。

【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。以下の説明においては、半導体面発光レーザ素子を例に説明する（半導体レーザ）が、本発明は、面発光レーザのみならず、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、単に面発光レーザとも称する）１０の斜視図である。

【0011】

基板１１は、窒化ガリウム系半導体基板、例えばＧａＮ基板である。基板１１は、例えば、上面形状が矩形の基板である。基板１１の上には、基板１１の上に成長させられた半導体層からなる第１の多層膜反射鏡１３が形成されている。

【0012】

第１の多層膜反射鏡１３は、ＡｌＩｎＮの組成を有する低屈折率半導体膜と、ＧａＮ組成を有し低屈折率半導体膜よりも屈折率が高い高屈折率半導体膜とが交互に積層された半導体多層膜反射鏡である。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１３は、半導体材料からなる分布フラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。例えば、基板１１の上面には、ＧａＮ組成を有するバッファ層が設けられ、当該バッファ層上に上記高屈折率半導体膜と低屈折半導体膜とを交互に成膜されることで第１の多層膜反射鏡１３が形成される。

【0013】

なお、基板１１の上面、すなわちＧａＮ組成を有するバッファ層が設けられている面はＣ面またはＣ面から０．５°以内にオフした面であることが好ましい。後述する半導体構造層１５の結晶性などが良好となるためである。

【0014】

半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された複数の半導体層からなる積層構造体である。半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１７と、ｎ型半導体層１７上に形成された発光層（または活性層）１９と、活性層１９上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層）２１と、を有する。

【0015】

ｎ型半導体層１７は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された半導体層である。ｎ型半導体層１７は、ＧａＮ組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされている半導体層である。ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａとその上に配された円柱状の上部１７Ｂとを有する。具体的には、例えば、ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａの上面１７Ｓから突出した円柱状の上部１７Ｂを有している。言い換えれば、ｎ型半導体層１７は、上部１７Ｂを含むメサ形状の構造を有する。

【0016】

活性層１９は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂ上に形成されており、ＩｎＧａＮ組成を有する井戸層及びＧａＮ組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する層である。面発光レーザ１０においては、活性層１９において光が発生する。

【0017】

ｐ型半導体層２１は、活性層１９上に形成されたＧａＮ組成を有する半導体層である。ｐ型半導体層２１には、ｐ型の不純物としてＭｇがドーピングされている。

【0018】

ｎ電極２３は、ｎ型半導体層１７の下部１７Ａの上面１７Ｓに設けられ、ｎ型半導体層１７と電気的に接続されている金属電極である。ｎ電極２３は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂを囲繞するように環状に形成されている。

【0019】

絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上に形成されている絶縁体からなる層である。絶縁層２５は、例えばＳｉＯ₂等のｐ型半導体層２１を形成する材料よりも低い屈折率を有する物質によって形成されている。絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上において環状に形成されており、中央部分にｐ型半導体層２１を露出する開口部（図示せず）を有している。

【0020】

ｐ電極２７は、絶縁層２５上に形成された金属電極である。ｐ電極２７は、絶縁層２５の上記開口部から露出したｐ型半導体層２１の上面に、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる透明電極（図示せず）介して電気的に接続されている。

【0021】

第２の多層膜反射鏡２９は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる低屈折率誘電体膜と、Ｔａ₂Ｏ₅からなり低屈折率誘電体膜よりも屈折率が高い高屈折率誘電体膜とが交互に積層された誘電体多層膜反射鏡である。言い換えれば、第２の多層膜反射鏡２９は、誘電体材料からなる分布フラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。

【0022】

図２は、面発光レーザ１０の上面図である。上述したように、面発光レーザ１０は、矩形の上面形状を有する基板１１上に形成されたｎ型半導体層１７、上面形状が円形の活性層１９及びｐ型半導体層２１を含む半導体構造層１５を有している（図１参照）。ｐ型半導体層２１上には、絶縁層２５及びｐ電極２７が形成されている。ｐ電極２７上には、第２の多層膜反射鏡２９が形成されている。

【0023】

絶縁層２５は、上述した絶縁層２５のｐ型半導体層２１を露出する円形の開口部である開口部２５Ｈを有している。図２に示すように、開口部２５Ｈは、面発光レーザ１０の上方からみて絶縁層２５の中央部に形成されており、面発光レーザ１０の上方からみて第２の多層膜反射鏡２９に覆われている。言い換えれば、開口部２５Ｈは、ｐ型半導体層２１の上面において第２の多層膜反射鏡２９に覆われている。さらに言い換えれば、開口部２５Ｈは、絶縁層２５の多層膜反射鏡２９の下面と対向する領域に形成されている。

【0024】

ｐ電極２７は、面発光レーザ１０の上方からみて絶縁層２５の中央部に形成されており、開口部２５Ｈを囲む開口部２７Ｈを有している。すなわち、開口部２７Ｈは、開口部２５Ｈよりも大きい開口である。例えば、開口部２７Ｈの形状は、開口部２５Ｈの形状と同心円の円形形状である。

【0025】

図２に破線で示すように、ｐ型半導体層２１の上面、すなわち半導体構造層１５の上面には、円環状の溝１５Ｇが形成されている。溝１５Ｇは、開口部２５Ｈ及び開口部２７Ｈの外側の領域に形成されている。すなわち、溝１５Ｇは、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向から見て環状に設けられている溝である。

【0026】

本実施例においては、溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面において第２の多層膜反射鏡２９によって覆われるように形成されている。すなわち、本実施例においては、溝１５Ｇは、第２の多層膜反射鏡２９の下面と対向する位置に形成されている。

【0027】

図３は、面発光レーザ１０の図２の３－３線に沿った断面図である。上述のように、面発光レーザ１０は、ＧａＮ基板である基板１１を有し、基板１１上に第１の多層膜反射鏡１３が形成されている。なお、基板１１の下面には、ＡＲコートが施されていてもよい。

【0028】

第１の多層膜反射鏡１３上には、半導体構造層１５が形成されている。半導体構造層１５は、ｎ型半導体層１７、活性層１９及びｐ型半導体層２１がこの順に形成されてなる積層体である。

【0029】

半導体構造層１５に形成されている溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面の中央部において突出している突出部２１Ｐを囲むように形成されており、ｐ型半導体層２１の上面から活性層１９を貫通してｎ型半導体層１７に至っている。

【0030】

このように、実施例１の面発光レーザ１０においては、溝１５Ｇが活性層１９を貫通するように形成されている。言い換えれば、溝１５Ｇによって活性層１９に隙間が形成されている。

【0031】

絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１の上面及び溝１５Ｇの内面を覆うように形成されている。絶縁層２５は、上述のようにｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有している材料からなっている。絶縁層２５は、突出部２１Ｐを露出せしめる開口部２５Ｈを有している。例えば、図２に示すように開口部２５Ｈは円形である。例えば、開口部２５Ｈと突出部２１Ｐとは同様の形状を有しており、開口部２５Ｈの内側面と突出部２１Ｐの外側面は接している。

【0032】

透光電極層３１は、絶縁層２５及び絶縁層２５の開口部２５Ｈから露出している突出部２１Ｐを覆うように形成された透光性を有する導電体からなる層である。すなわち、透光電極層３１は、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している領域において、ｐ型半導体層２１と電気的に接触している。透光電極層３１は、例えば、ＩＴＯまたはＩＺＯ等の活性層１９からの出射光に対して透光性を有する金属酸化物によって形成されている。

【0033】

ｐ電極２７は、上述したように金属電極であり、透光電極層３１を覆うように形成されている。すなわち、ｐ電極２７は、透光電極層３１と電気的に接触している。従って、ｐ電極２７は、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している領域において、透光電極層３１を介してｐ型半導体層２１と電気的に接触または接続している。ｐ電極２７は、中央部において、透光電極層３１を露出する開口部２７Ｈを有する。開口部２７Ｈは、開口部２５Ｈよりも幅が大きい開口である。

【0034】

第２の多層膜反射鏡２９は、開口部２７Ｈ及び溝１５Ｇを覆うように形成されている。第２の多層膜反射鏡２９は、開口部２７Ｈによって形成される空間を埋めて、透光電極層３１に接するように形成されている。また、第２の多層膜反射鏡２９は、溝１５Ｇによって形成される空間を埋めるように形成されている。

【0035】

面発光レーザ１０において、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡２９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１３及び基板１１を透過し、外部に取り出される。

【0036】

上述のように、実施例１の面発光レーザ１０においては、溝１５Ｇが活性層１９を貫通するように形成されている。言い換えれば、溝１５Ｇによって活性層１９に隙間が形成されている。この溝１５Ｇは、半導体構造層１５が形成された後に形成される。その後、絶縁層２５が、透光電極層３１、ｐ電極２７及び第２の多層膜反射鏡２９が形成される前に形成される。

【0037】

従って、半導体構造層１５が形成された後に、活性層１９に至る溝１５Ｇが形成されることで、活性層１９の面内に沿った方向において空間または隙間が形成される。この隙間によって、活性層１９の形成時に活性層１９の層内方向または半導体構造層１５の層面方向において発生した歪みが緩和される。

【0038】

具体的に言えば、活性層１９はその形成時に量子井戸構造を形成するＩｎＧａＮとＧａＮの格子定数の差によって結晶構造が歪んで圧電分極が生じて、ピエゾ電界が生ずる。このピエゾ電界の発生により、発光層に注入される電子と正孔との再結合確率が低下し、これが内部量子効率が低くなる一因となる。

【0039】

面発光レーザ１０においては、半導体構造層１５に活性層１９に至る溝１５Ｇが形成される。この溝による間隙により、活性層１９の成長時において活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率が向上すると考えられる。

【0040】

ここで、面発光レーザ１０の動作について説明する。面発光レーザ１０において、ｎ電極２３及びｐ電極２７との間に電圧が印加されると、図中太線一点鎖線に示す様に、半導体構造層１５内に電流が流れ、活性層１９から光が放出される。活性層１９から放出された光は、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において反射を繰り返し、共振状態に至る（レーザ発振する）。

【0041】

面発光レーザ１０においては、ｐ型半導体層２１には、開口部２５Ｈによって露出している部分のみから電流が注入される。また、ｐ型半導体層２１は非常に薄いため、ｐ型半導体層２１内では面内方向、すなわち半導体構造層１５の面内に沿った方向には電流は拡散しない。従って、面発光レーザ１０においては、活性層１９のうち、開口部２５Ｈの直下の領域にのみ電流が供給されて、当該領域からのみ光が放出される。すなわち、面発光レーザ１０において、開口部２５Ｈが活性層１９における電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。

【0042】

上述のように、本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡２９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１３及び基板１１を透過し、外部に取り出される。このようにして、面発光レーザ１０は、基板１１の下面から、基板１１の下面及び半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な方向に光を出射する。

【0043】

なお、半導体構造層１５のｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐ及び絶縁層２５の開口部２５Ｈは、活性層１９における発光領域の中心である発光中心を画定し、共振器ＯＣの中心軸（発光中心軸）ＡＸを画定する。共振器ＯＣの中心軸ＡＸは、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの中心を通り、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向に沿って延びる。

【0044】

なお、活性層１９の発光領域とは、例えば、活性層１９内における所定の強度以上の光が放出される所定の幅を有する領域であり、その中心が発光中心である。また、例えば、活性層１９の発光領域とは、活性層１９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基板１１の上面または半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な直線が中心軸ＡＸである。発光中心軸ＡＸは、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９とによって構成される共振器ＯＣの共振器長方向に沿って延びる直線である。また、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。

【0045】

ここで、面発光レーザ１０における第１の多層膜反射鏡１３、半導体構造層１５及び第２の多層膜反射鏡２９各層の例示的な構成及び溝１５Ｇの例示的な寸法について説明する。本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上面に形成された１μｍのＧａＮ下地層、及び４２ペアのｎ－ＧａＮ層及びＡｌＩｎＮ層からなる。

【0046】

ｎ型半導体層１７は、１５８０ｎｍの層厚のｎ－ＧａＮ層である。活性層１９は、４ｎｍのＧａＩｎＮ層及び５ｎｍのＧａＮ層が４ペア積層された多重量子井戸構造の活性層からなる。活性層１９上には、ＭｇドープされたＡｌＧａＮの電子障壁層が形成され、その上に５０ｎｍのｐ－ＧａＮ層からなるｐ型半導体層２１が形成されている。第２の多層膜反射鏡２９は、Ｎｂ₂Ｏ₅及びＳｉＯ₂を１０．５ペア積層したものである。この場合の共振波長は、440nmであった。

【0047】

半導体構造層１５に形成される溝部１５Ｇは、8μｍの外径を有し、深さが１２０ｎｍ、幅2μｍである。なお、半導体構造層１５上に形成される透光電極層３１は、２０ｎｍのＩＴＯからなる層であり、透光電極層３１及びｐ電極２７の上に４０ｎｍのＮｂＯ₅のスペーサー層を挟んで第２の多層膜反射鏡２９が形成されている。

【0048】

また、基板１１の裏面は、研磨面となっており、当該研磨面にＮｂ₂Ｏ₅及びＳｉＯ₂の二層のＡＲコートが形成されている。

【0049】

また、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐにおいて５０ｎｍの層厚を有し、それ以外の領域において３０ｎｍの層厚を有することとしてもよい。すなわち、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐとそれ以外の部分で層厚が異なっていてもよい。また、絶縁層２５の上面は、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの上面と同一の高さ位置に配置されるように構成されている。なお、これらは一例に過ぎない。

【0050】

以下、面発光レーザ１０内部の光学的な特性について説明する。上述のように、面発光レーザ１０において、絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有する。また、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間における他の層の層厚は、面内のいずれの箇所においても同じ層内であれば同一である。

【0051】

従って、面発光レーザ１０の第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で形成される共振器ＯＣ内における等価的な屈折率（第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間の光学的距離であり、共振波長に対応する）は、ｐ型半導体層２１と絶縁層２５との屈折率の差によって、上面形状が開口部２５Ｈによって画定される円柱状の中央領域ＣＡとその周りの筒状の周辺領域ＰＡとで異なる。

【0052】

具体的には、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において、周辺領域ＰＡの等価屈折率は中央領域の等価屈折率よりも低い、すなわち、中央領域ＣＡにおける等価的な共振波長は、周辺領域ＰＡ等価的な共振波長よりも小さい。なお、上述のように、活性層１９において光が放出されるのは、開口部２５Ｈの直下の領域である。すなわち、活性層１９において光が放出される発光領域は、活性層１９のうち中央領域ＣＡと重なる部分、言い換えれば上面視において絶縁層２５の開口部２５Ｈ内となる領域である。

【0053】

このように、面発光レーザ１０においては、活性層１９の発光領域を含む中央領域ＣＡと、中央領域ＣＡを囲繞しかつ中央領域ＣＡよりも屈折率が低い周辺領域ＰＡとが形成されている。これによって、中央領域ＣＡ内の定在波が周辺領域ＰＡ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ＣＡ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の発光中心軸ＡＸの周辺の中央領域ＣＡに集中し、高出力かつ高密度なレーザ光を生成及び出射することができる。

【0054】

上述のように、本実施例の面発光レーザ１０では、半導体構造層１５にｐ型半導体層２１の上面から活性層１９に至る溝１５Ｇが形成されている。この溝１５Ｇによって、活性層１９において、活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率が改善し、発光効率を向上が実現可能となる。
［製造方法］
以下に、面発光レーザ１０の製造方法の一例について説明する。まず、基板１１として、ｃ面ｎ－ＧａＮ基板を用意し、当該基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、下地層としてｎ－ＧａＮ（層厚１μｍ）層を形成する。その後、当該下地層上にｎ－ＧａＮ／ＡｌＩｎＮの層を４２ペア成膜し、第１の多層膜反射鏡１３を形成する。

【0055】

次に、第１の多層膜反射鏡１３上に、Ｓｉドープｎ－ＧａＮ（層厚１５８０ｎｍ）を形成してｎ型半導体層１７を形成し、その上に、ＧａＩｎＮ（層厚４ｎｍ）及びＧａＮ（層厚５ｎｍ）からなる層を４ペア積層することで、活性層１９を形成する。

【0056】

次に、活性層１９上に、ＭｇドープＡｌＧａＮからなる電子障壁層を形成し（図示せず）、当該電子障壁層上にｐ－ＧａＮ層（層厚５０ｎｍ）を成膜してｐ型半導体層２１を形成する。

【0057】

次に、ｐ型半導体層２１、活性層１９及びｎ型半導体層１７の周囲の部分をエッチングして、当該周囲の部分においてｎ型半導体層１７の上面１７Ｓが露出するようなメサ形状を形成する。言い換えれば、この工程で、図１のｎ型半導体層１７、活性層１９及びｐ型半導体層２１からなる円柱上の部分を有する半導体構造層１５が完成する。

【0058】

次に、ｐ型半導体層２１の上面から活性層１９を貫通する溝１５Ｇをエッチングで形成する。その後、半導体構造層１５上に、ＳｉＯ₂を成膜して、その一部を除去して開口部２５Ｈを形成することで絶縁層２５を形成する。

【0059】

次に、絶縁層２５上にＩＴＯを２０ｎｍ成膜して透光電極層３１を形成し、透光電極層３１上及びｎ型半導体層１７の上面１７ＳにそれぞれＡｕを成膜してｐ電極２７及びｎ電極２３を形成する。

【0060】

次に、ｐ電極２７及び透光電極層３１上にＮｂ₂Ｏ₅を４０ｎｍ、スペーサー層（図示せず）として成膜し、当該スペーサー層上に、１ペアがＮｂ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂からなる層を１０．５ペア成膜して、第２の多層膜反射鏡２９を形成する。

【0061】

次に、基板１１の裏面を研磨し、当該研磨面に、Ｎｂ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂からなるＡＲコートを形成することで、面発光レーザ１０が完成する。

【実施例2】

【0062】

以下、本発明の実施例２である面発光レーザ４０について説明する。面発光レーザ４０は、半導体構造層１５の溝１５Ｇが、上面視においては第２の多層膜反射鏡２９の外側に形成されている点において、面発光レーザ１０とは異なる。

【0063】

図４に実施例２の面発光レーザ４０の斜視図を示す。また、図５に、面発光レーザ４０を、上記実施例１に示したのと同様の断面で切断した断面図を示す。図４及び図５に示すように、面発光レーザ４０においては、半導体構造層１５の溝１５Ｇが、ｐ型半導体層２１の上面において、第２の多層膜反射鏡２９の外側に形成されている。すなわち、ｐ型半導体層２１の上面において、溝１５Ｇが第２の形成領域から露出している。

【0064】

ｐ型半導体層２１上に絶縁層２５を介して形成されたｐ電極２７の上面には、溝１５Ｇの形状が引き継がれて形成された溝構造２７Ｇが形成されている。すなわち、溝構造２７Ｇは、溝１５Ｇ上に溝１５Ｇとほぼ同一の形で形成されている。

【0065】

図５に示すように、面発光レーザ４０においても、面発光レーザ１０と同様に、半導体構造層１５にｐ型半導体層２１の上面から活性層１９に至る溝１５Ｇが形成されている。この溝１５Ｇによって、活性層１９において、活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率が改善し、発光効率を向上が実現可能となる。なお、面発光レーザ１０においては、第２の多層膜反射鏡２９をｐ電極２７上に形成しなくともよい。すなわち、段差を跨いで、第２の多層膜反射鏡２９を形成しなくとも良いので、第２の多層膜反射鏡２９の形成の精度をより高めることが可能である。

【実施例3】

【0066】

以下、本発明の実施例３である面発光レーザ５０について説明する。面発光レーザ５０は、ｎ型半導体層１７に接続された電極が基板１１の裏面にある点等において面発光レーザ１０とは異なる。

【0067】

図６は、面発光レーザ５０の斜視図である。基板５１は、例えば、上面形状が矩形の基板である。基板５１は、ｎ－ＧａＮ等の導電性の材料からなる基板である。基板５１の裏面には、金属からなるｎ電極５２が形成されている。

【0068】

基板１１の上には、基板５１の上に成長させられた半導体層からなる第１の多層膜反射鏡５３が形成されている。第１の多層膜反射鏡５３は、ＡｌＩｎＮの組成を有する低屈折率半導体膜と、ｎ－ＧａＮ組成を有し低屈折率半導体膜よりも屈折率が高い高屈折率半導体膜とが交互に積層された導電性を有する半導体多層膜反射鏡である。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡５３は、半導体材料からなる分布フラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。例えば、基板５１の上面には、ｎ－ＧａＮ組成を有するバッファ層が設けられ、当該バッファ層上に上記高屈折率半導体膜と低屈折半導体膜とを交互に成膜されることで第１の多層膜反射鏡５３が形成される。

【0069】

半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡５３上に形成された複数の半導体層からなる積層構造体である。半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡５３上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１７と、ｎ型半導体層１７上に形成された発光層（または活性層）１９と、活性層１９上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層）２１と、を有する。

【0070】

ｎ型半導体層１７は、第１の多層膜反射鏡５３上に形成された半導体層である。ｎ型半導体層１７は、ＧａＮ組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされている半導体層である。

【0071】

活性層１９は、ｎ型半導体層１７上に形成されており、ＩｎＧａＮ組成を有する井戸層及びＧａＮ組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する層である。面発光レーザ５０においては、活性層１９において光が発生する。

【0072】

ｐ型半導体層２１は、活性層１９上に形成されたＧａＮ組成を有する半導体層である。ｐ型半導体層２１には、ｐ型の不純物としてＭｇがドーピングされている。

【0073】

絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上に形成されている絶縁体からなる層である。絶縁層２５は、例えばＳｉＯ₂等のｐ型半導体層２１を形成する材料よりも低い屈折率を有する物質によって形成されている。絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上において環状に形成されており、中央部分にｐ型半導体層２１を露出する開口部（図示せず）を有している。

【0074】

ｐ電極２７は、絶縁層２５上に形成された金属電極である。ｐ電極２７は、絶縁層２５の上記開口部から露出したｐ型半導体層２１の上面に、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる透明電極（図示せず）介して電気的に接続されている。

【0075】

第２の多層膜反射鏡２９は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる低屈折率誘電体膜と、Ｔａ₂Ｏ₅からなり低屈折率誘電体膜よりも屈折率が高い高屈折率誘電体膜とが交互に積層された誘電体多層膜反射鏡である。言い換えれば、第２の多層膜反射鏡２９は、誘電体材料からなる分布フラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。

【0076】

図７は、面発光レーザ５０の上面図である。上述したように、面発光レーザ１０は、矩形の上面形状を有する基板１１上に形成されたｎ型半導体層１７、活性層１９及びｐ型半導体層２１を含む半導体構造層１５を有している（図６参照）。ｐ型半導体層２１上には、絶縁層２５及びｐ電極２７が形成されている。ｐ電極２７上には、第２の多層膜反射鏡２９が形成されている。

【0077】

絶縁層２５は、上述した絶縁層２５のｐ型半導体層２１を露出する円形の開口部である開口部２５Ｈを有している。図２に示すように、開口部２５Ｈは、面発光レーザ１０の上面からみて絶縁層２５の中央部に形成されており、面発光レーザ１０の上面からみて第２の多層膜反射鏡２９に覆われている。言い換えれば、開口部２５Ｈは、ｐ型半導体層２１の上面において第２の多層膜反射鏡２９に覆われている。さらに言い換えれば、開口部２５Ｈは、ｐ型半導体層２１の上面の多層膜反射鏡２９の下面と対向する領域に配されている。

【0078】

ｐ電極２７は、面発光レーザ１０の上面からみて絶縁層２５の中央部に形成されておりかつ開口部２５Ｈを囲む開口部２７Ｈを有している。すなわち、開口部２７Ｈは、開口部２５Ｈよりも大きい開口である。例えば、開口部２７Ｈの形状は、開口部２５Ｈの形状と同心円の円形形状である。

【0079】

図７に破線で示すように、ｐ型半導体層２１の上面、すなわち半導体構造層１５の上面には、円環状の溝１５Ｇが形成されている。溝１５Ｇは、開口部２５Ｈ及び開口部２７Ｈの外側の領域に形成されている。本実施例においては、溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面において第２の多層膜反射鏡２９によって覆われるように形成されている。すなわち、本実施例においては、溝１５Ｇは、第２の多層膜反射鏡２９の下面と対向する位置に形成されている。

【0080】

図８は、面発光レーザ５０の図７の８－８線に沿った断面図である。上述のように、面発光レーザ５０は、ｎ－ＧａＮ基板である基板５１を有し、基板５１上に第１の多層膜反射鏡５３が形成されている。

【0081】

基板５１の裏面５１Ａには、突出部５１Ｐが形成されている。突出部５１Ｐは、基板５１の法線方向から見て、突出部２１Ｐに対応する領域に形成されている。この突出部５１Ｐは、裏面５１Ａが研磨された後に、突出部５１Ｐの周囲がドライエッチングによって除去されたために残った凸部である。よって、突出部５１Ｐの頂面は研磨面となっており、基板５１の裏面５１Ａの突出部５１Ｐの周囲の領域は、研磨面がドライエッチングされた表面になっている。ｎ電極５２は、基板５１の裏面５１Ａの突出部５１Ｐの周囲の領域、すなわち突出部５１Ｐを除く領域に形成されている。突出部５１Ｐは、その頂面が出射する光が外部に放出される開口となり、ｎ電極５２によって出射光を遮らないためである。すなわち、ｎ電極５２の開口から突出部５１Ｐが突出した構造となっている。

【0082】

反射防止層５５は、基板５１の裏面５１Ａにおいて突出部５１Ｐを覆うように形成されている。反射防止層５５は、例えば、誘電体多層膜からなり、例えば、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５５は、活性層１９から放出された光が基板５１の突出部５１Ｐの頂面で反射することを抑制するいわゆるＡＲコートである。

【0083】

第１の多層膜反射鏡５３上には、半導体構造層１５が形成されている。半導体構造層１５は、ｎ型半導体層１７、活性層１９及びｐ型半導体層２１がこの順に形成されてなる積層構造体である。

【0084】

ｐ型半導体層２１は、その上面中央部において、円柱状に上方に突出する突出部２１Ｐを有している。半導体構造層１５に形成されている溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面において突出部２１Ｐを囲むように形成されており、ｐ型半導体層２１の上面から活性層１９を貫通してｎ型半導体層１７に至っている。

【0085】

このように、実施例３の面発光レーザ５０においては、上述の実施例における面発光レーザ１０及び４０と同様に、溝１５Ｇが活性層１９を貫通するように形成されている。言い換えれば、溝１５Ｇによって活性層１９に隙間が形成されている。

【0086】

絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１の上面及び溝１５Ｇの内面を覆うように形成されている。絶縁層２５は、上述のようにｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有している材料からなっている。絶縁層２５は、突出部２１Ｐを露出せしめる開口部２５Ｈを有している。例えば、図７に示すように開口部２５Ｈは円形である。例えば、開口部２５Ｈと突出部２１Ｐとは同様の形状を有しており、開口部２５Ｈの内側面と突出部２１Ｐの外側面は接している。

【0087】

透光電極層３１は、絶縁層２５及び絶縁層２５の開口部２５Ｈから露出している突出部２１Ｐを覆うように形成された透光性を有する導電体からなる層である。透光電極層３１は、例えば、ＩＴＯまたはＩＺＯ等の活性層１９からの出射光に対して透光性を有する金属酸化物によって形成されている。

【0088】

ｐ電極２７は、上述したように金属電極であり、透光電極層３１を覆うように形成されている。ｐ電極２７は、中央部において、透光電極層３１を露出する開口部２７Ｈを有する。開口部２７Ｈは、開口部２５Ｈよりも幅が大きい開口である。

【0089】

第２の多層膜反射鏡２９は、開口部２７Ｈ及び溝１５Ｇを覆うように形成されている。第２の多層膜反射鏡２９は、開口部２７Ｈによって形成する空間を埋めて、透光電極層３１に接するように形成されている。また、第２の多層膜反射鏡２９は、溝１５Ｇによって形成される空間を埋めるように形成されている。

【0090】

面発光レーザ５０において、第１の多層膜反射鏡５３は、第２の多層膜反射鏡２９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡５３と第２の多層膜反射鏡２９との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡５３及び基板５１を透過し、外部に取り出される。

【0091】

上述のように、実施例３の面発光レーザ５０においては、溝１５Ｇが活性層１９を貫通するように形成されている。言い換えれば、溝１５Ｇによって活性層１９に隙間が形成されている。この溝１５Ｇは、半導体構造層１５が形成された後に形成される。その後、絶縁層２５が、透光電極層３１、ｐ電極２７及び第２の多層膜反射鏡２９が形成される前に形成される。

【0092】

従って、半導体構造層１５が形成された後に、活性層１９に至る溝１５Ｇが形成されることで、活性層１９の面内方向に沿った方向において隙間が形成される。この隙間によって、活性層１９の形成時に活性層１９の層内方向または半導体構造層１５の面内方向において発生した歪みが緩和される。

【0093】

具体的に言えば、上述したように、活性層１９はその形成時に量子井戸構造を形成するＩｎＧａＮとＧａＮの格子定数の差によって結晶構造が歪んで圧電分極が生じて、ピエゾ電界が生ずる。このピエゾ電界によって、発光層に注入される電子と成功との再結合確率が低下し、内部量子効率が低くなる。

【0094】

面発光レーザ５０においては、半導体構造層１５に活性層１９に至る溝１５Ｇが形成される。この溝による間隙により、活性層１９の成長時において活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率が向上すると考えられる。

【0095】

ここで、面発光レーザ５０の動作について説明する。面発光レーザ５０において、ｎ電極５２及びｐ電極２７との間に電圧が印加されると、図中太線一点鎖線に示す様に、半導体構造層１５内に電流が流れ、活性層１９から光が放出される。活性層１９から放出された光は、第１の多層膜反射鏡５３と第２の多層膜反射鏡２９との間において反射を繰り返し、共振状態に至る（レーザ発振する）。

【0096】

面発光レーザ５０においては、面発光レーザ１０における場合と同様に、ｐ型半導体層２１には、開口部２５Ｈによって露出している部分のみから電流が注入される。また、ｐ型半導体層２１は非常に薄いため、ｐ型半導体層２１内では面内方向、すなわち半導体構造層１５の面内に沿った方向には電流は拡散しない。従って、面発光レーザ１０においては、活性層１９のうち、開口部２５Ｈの直下の領域にのみ電流が供給されて、当該領域からのみ光が放出される。すなわち、面発光レーザ５０において、開口部２５Ｈが活性層１９における電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。

【0097】

上述のように、本実施例においては、第１の多層膜反射鏡５３は、第２の多層膜反射鏡２９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡５３と第２の多層膜反射鏡２９との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡５３及び基板５１を透過し、突出部５１Ｐから外部に取り出される。このようにして、面発光レーザ１０は、基板５１の下面及び半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な方向に光を出射する。

【0098】

発光中心軸ＡＸ等の説明については、実施例１の面発光レーザ１０と同様となるので省略する。

【0099】

面発光レーザ５０における第１の多層膜反射鏡５３、半導体構造層１５及び第２の多層膜反射鏡２９各層の例示的な構成及び溝１５Ｇの例示的な寸法について説明する。本実施例においては、第１の多層膜反射鏡５３は、基板５１の上面に形成された１μｍのｎ－ＧａＮ下地層、及び４２ペアのｎ－ＧａＮ層及びＡｌＩｎＮ層からなる。

【0100】

ｎ型半導体層１７は、Ｓｉドープされた１５８０ｎｍの層厚のｎ－ＧａＮ層である。活性層１９は、４ｎｍのＧａＩｎＮ層及び５ｎｍのＧａＮ層が４ペア積層された多重量子井戸構造の活性層からなる。活性層１９上には、ＭｇドープされたＡｌＧａＮの電子障壁層が形成され、その上に５０ｎｍのｐ－ＧａＮ層からなるｐ型半導体層２１が形成されている。第２の多層膜反射鏡２９は、Ｎｂ₂Ｏ₅及びＳｉＯ₂を１０．５ペア積層したものである。

【0101】

半導体構造層１５に形成される溝部１５Ｇは、２０μｍの外径を有し、深さが１２０ｎｍ、幅１μmである。なお、半導体構造層１５上に形成される透光電極層３１は、２０ｎｍのＩＴＯからなる層であり、透光電極層３１及びｐ電極２７の上に４０ｎｍのＮｂＯ₅のスペーサー層を挟んで第２の多層膜反射鏡２９が形成されている。

【0102】

また、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐにおいて５０ｎｍの層厚を有し、それ以外の領域において３０ｎｍの層厚を有することとしてもよい。すなわち、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐとそれ以外の部分で層厚が異なっていてもよい。また、絶縁層２５の上面は、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの上面と同一の高さ位置に配置されるように構成されている。なお、これらは一例に過ぎない。

【0103】

面発光レーザ５０内部の光学的な特性については、面発光レーザ１０の特性と同様であるので説明を省略する。

【0104】

上述のように、本実施例の面発光レーザ５０では、実施例１の面発光レーザ１０と同様に、半導体構造層１５にｐ型半導体層２１の上面から活性層１９に至る溝１５Ｇが形成されている。この溝１５Ｇによって、活性層１９において、活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率が改善し、発光効率を向上が実現可能となる。

【実施例4】

【0105】

以下、本発明の実施例４である面発光レーザ６０について説明する。面発光レーザ６０は、半導体構造層１５の溝１５Ｇが、上面視においては第２の多層膜反射鏡２９の外側に形成されている点において、面発光レーザ５０とは異なる。

【0106】

図９に実施例４の面発光レーザ６０の斜視図を示す。また、図１０に、面発光レーザ６０を、上記実施例３に示したのと同様の断面で切断した断面図を示す。図９及び図１０に示すように、面発光レーザ６０においては、半導体構造層１５の溝１５Ｇが、ｐ型半導体層２１の上面において、第２の多層膜反射鏡２９の外側に形成されている。すなわち、ｐ型半導体層２１の上面において、溝１５Ｇが第２の多層膜反射鏡の外側に露出している。

【0107】

ｐ型半導体層２１上に絶縁層２５を介して形成されたｐ電極２７の上面には、溝１５Ｇの形状が引き継がれて形成された溝構造２７Ｇが形成されている。すなわち、溝構造２７Ｇは、溝１５Ｇ上に溝１５Ｇとほぼ同一の形で形成されている。 図１０に示すように、面発光レーザ４０においても、面発光レーザ１０と同様に、半導体構造層１５にｐ型半導体層２１の上面からｎ型半導体層１７に至る溝１５Ｇが形成されている。この溝１５Ｇによって、活性層１９において、活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率、例えばスロープ効率が改善し、発光効率を向上が実現可能となる。なお、面発光レーザ１０においては、第２の多層膜反射鏡２９をｐ電極２７上に形成しなくともよい。すなわち、段差を跨いで、第２の多層膜反射鏡２９を形成しなくとも良いので、第２の多層膜反射鏡２９の形成の精度をより高めることが可能である。
［半導体構造層の変形例］
上述の実施例においては、半導体構造層１５に形成される溝１５Ｇの形状が円環状である場合を例に説明した。しかし、溝１５Ｇの形状は他の形状であってもよい。

【0108】

例えば、図１１に示すように、溝１５Ｇは、環状領域ＣＲ（図中一点鎖線で囲まれた領域）において、完全な環状ではなく断続的に形成された凹部ＧＶ（または溝ＧＶ）を含む溝構造でもよい。すなわち、溝１５Ｇは、複数の凹部を含む凹構造であっても良い。言い換えれば、溝１５Ｇは、断続的に形成された環状構造であってもよい。例えば、溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している領域を囲繞する、断続的に形成された環状構造であってもよい。

【0109】

なお、溝１５Ｇを複数個の凹部によって形成する場合、活性層１９における歪みを均等に緩和するために、上述した発光中心軸ＡＸから見て２方向以上に形成されているのが望ましい。すなわち、溝１５Ｇを複数の凹部によって形成する場合、面発光レーザ１０の上面視において、発光中心軸ＡＸを含む発光領域から見て２方向以上に凹部を形成し、発光領域を凹部によって挟む構造にするのが好ましい。活性層１９における歪みを均等に緩和するために、溝１５Ｇを形成する凹部は、発光中心軸ＡＸに対して回転対称に配置するのがさらに好ましい。言い換えれば、溝１５Ｇを形成する凹部は、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向から見て回転対称に設けられているのが好ましい。

【0110】

なお、上述のように、溝１５Ｇを複数の凹部で形成する等、溝１５Ｇの形状を変化させることで、活性層１９の歪みの緩和の度合いに異方性を持たせ上述の実施例の面発光レーザから出射される光の偏光の制御を行うことも可能である。例えば、図１１に示す面発光レーザの場合、開口部２５Ｈからみて、すなわち中央領域ＣＡからみて溝１５Ｇを形成する凹部ＧＶが存在する方向において、活性層１９の歪みはより緩和される。これにより、開口部２５Ｈからみて溝１５Ｇを形成する凹部ＧＶが存在する方向（図中左右方向）において光学的な利得が大きくなり、当該方向に沿った偏光方向を有する光を多く得ることが可能となる。

【0111】

上述の活性層１９の歪みの緩和を行うために、また上記した歪みの緩和の度合いに異方性を持たせて面発光レーザから出射される光の偏光を制御するためには、溝１５Ｇは発光中心軸ＡＸの近くに形成することが好ましい。従って、例えば、実施例１の面発光レーザ１０や実施例３の面発光レーザ５０のように、第２の多層膜反射鏡２９の下に溝１５Ｇを形成するのが好ましい。なお、活性層１９の歪みを緩和するためには、溝１５Ｇまたは複数の溝ＧＶは、例えば、発光領域の外縁から５０μｍ以内の距離に形成するのが好ましい。すなわち、溝１５Ｇを形成する環状領域ＣＲは、発光領域または中央領域ＣＡの外縁から５０μｍ以内の距離に設けられることが好ましい。

【0112】

上述の実施例においては、面発光レーザから円状のレーザ光を出射する場合を例に説明したが、環状のレーザ光を出射する構成としてもよい。すなわち、上述の実施例の面発光レーザの上方から見て、絶縁層２５の開口部２５Ｈの中央に円形の絶縁層が形成されていてもよい。さらに言い換えれば、絶縁層２５が円環状の孔部を有し、当該円環状の孔部を介して、ｐ型半導体層２１の上面が露出し、透光電極層３１とｐ型半導体層２１が電気的に接触していてもよい。

【0113】

その場合には、半導体構造層１５の溝１５Ｇの内側にさらに内側凹部ＩＧを形成することとしてもよい。この凹部ＩＧも溝１５Ｇと同様にｐ型半導体層２１の上面から活性層１９を貫通する。

【0114】

図１２は、実施例１の面発光レーザ１０に円柱状の内側凹部ＩＧを形成した変形例の上面図である。また、図１３は、実施例１の面発光レーザ１０に円筒状の内側凹部ＩＧを形成した変形例の上面図である。このように、内側凹部ＩＧを形成することで、活性層１９の歪みをさらに緩和することが可能である。

【実施例5】

【0115】

以下に、本発明の実施例５である面発光レーザ７０について説明する。本実施例の面発光レーザ７０は、基板１１としてｃ面からｍ面（１－１００）方向に傾斜（オフセット）したＣ面ＧａＮ基板を用いる点、溝１５Ｇの態様が異なる点で実施例１の面発光レーザ１０と異なる。なお、面発光レーザ７０は、実施例１の面発光レーザ１０と同様の製法で形成可能である。

【0116】

図１４は、面発光レーザ７０の前方斜め上から見た斜視図である。また、図１５は、面発光レーザ７０の上面図である。上述したように、面発光レーザ７０は、基板１１の上面がＧａＮの結晶面のｃ面からｍ面にオフセットした面になっている。

【0117】

具体的には、基板１１の上面がｃ面からｍ面方向に０．４°傾いた面になっている。言い換えれば、基板１１は、ｃ面からｍ面に０．４°オフセットした主面を有するＧａＮ基板である。なお、図１５において、軸ＡＸ１が、基板１１のｍ面に垂直なｍ軸方向に沿いかつ基板１１の上面を含む面内にある軸であり、軸ＡＸ２が軸ＡＸ１に垂直でありかつ基板１１の上面を含む面内にある軸である。

【0118】

面発光レーザ７０においては、溝１５Ｇが、軸ＡＸ２に沿って互いに平行に伸張する２本の溝ＧＶからなっている。言い換えれば、溝１５Ｇは、軸ＡＸ２を挟んで伸張する２本の溝ＧＶからなっている。すなわち、溝１５Ｇが、軸ＡＸ１に沿った方向において、活性層１９の発光領域と重なる絶縁層２５の開口部２５Ｈを挟むように配されている。

【0119】

また、当該溝ＧＶの各々は、ｐ型半導体層２１の上面において、第２の多層膜反射鏡２９の直下の領域から第２の多層膜反射鏡２９の外側にまで延在している。言い換えれば、溝ＧＶの各々の両端部は、第２の多層膜反射鏡２９の外側に配されている。従って、溝１５Ｇと同様の形状を有する溝構造２７Ｇも、第２の多層膜反射鏡２９の直下の領域から第２の多層膜反射鏡２９の外側にまで延在している。

【0120】

面発光レーザ７０において、開口部２５Ｈから見て軸ＡＸ２に沿った方向にある領域には溝ＧＶが形成されていない。すなわち、面発光レーザ７０においては、開口部２５Ｈから見て、軸ＡＸ１に沿った方向にある領域にのみに溝ＧＶが形成されている。

【0121】

以下に、面発光レーザ７０における出射光の偏光方向について説明する。本実施例の面発光レーザ７０のように、基板１１のｍ面にオフセットした成長面に半導体層を成長させた場合、ｍ軸方向に偏向を有する光学利得が他の方向よりも大きくなるため、ｍ軸方向に偏光方向を有するレーザ光が発振しやすい。そのため、面発光レーザ７０の中央領域ＣＡから出射される光は、ｍ軸方向に偏光方向を有する光が多くなる。

【0122】

また、さらに、上述のように、面発光レーザ７０は、開口部２５Ｈから見てｍ軸方向に沿った軸ＡＸ１に沿った方向にある領域にのみ溝ＧＶが形成されている溝構造１５Ｇを有している。そのため、開口部２５Ｈ、すなわち発光領域となる中央領域ＣＡから見て溝ＧＶが形成されている方向、すなわちＡＸ１に沿った方向において活性層１９の歪みの緩和が強くおこる。

【0123】

これにより、面発光レーザ７０によれば、ｍ軸方向に沿った軸ＡＸ１に沿った方向を中心に利得が増大するので、上記オフセットによる効果と合わせて、ｍ軸方向に沿った方向に偏光方向を持ったレーザ光を多く得ることができる。なお、上記オフセット効果を得るに当たっては、基板１１の上面がｃ面からｍ面に向けて０．１～０．５°の範囲で傾いていることが好ましい。

【0124】

また、面発光レーザ７０は、上記実施例１の面発光レーザ１０と同様の方法で半導体構造層１５を成長させることで形成されるが、溝１５Ｇを形成した後に熱処理をすることで、ｍ軸方向に沿った方向に偏光方向を持ったレーザ光をさらに多く得ることができる面発光レーザとすることができる。

【0125】

具体的には、溝１５Ｇを形成した後、絶縁層２５を形成する前に、例えば５００℃の温度で熱処理を行うことで、ｍ軸方向に沿った方向に偏光方向を持ったレーザ光をさらに多く得ることができる面発光レーザを形成することができる。これは、熱処理によって、ｐ型半導体層２１において、活性層１９への電流経路のうち、軸ＡＸ１に沿った方向の電流経路における導電性が高まる故であると考えられる。

【0126】

この軸ＡＸ１に沿った方向の電流経路における導電性の高まりは、溝１５Ｇにおいて露出しているｐ型半導体層２１を形成しているｐ－ＧａＮから水素が脱離し、溝１５Ｇから露出している部分の周辺のｐ型半導体層２１の導電性が高まることによる。

【0127】

上述した、軸ＡＸ１における活性層１９の歪みの緩和及び基板１１の成長面のオフセットによって軸ＡＸ方向に沿った偏光方向のレーザ光が増加するのに加え、上記熱処理を行うことによって、面発光レーザ７０においてさらに軸ＡＸ方向に沿った偏光方向のレーザ光を増加させることが可能になる。

【0128】

なお、溝１５Ｇを形成した後、絶縁層２５を形成する前に行う熱処理は、ｐ型半導体層２１を形成するｐ－ＧａＮからの水素の脱離が発生する温度であればよい。具体的には、例えば、ｐ－ＧａＮからの水素の脱離を発生させるために、当該熱処理は４００℃以上で行われるのが好ましい。

【0129】

また、上記した軸ＡＸ１に沿った方向の偏光方向を有する光を増加させる効果を高めるために、溝１５Ｇは軸ＡＸ２に対して対称に形成されていることが好ましい。また、溝１５Ｇは、発光領域の外縁に沿った形状を有していることが好ましい。従って、面発光レーザ７０においても、図１６に示すように、図１１に示したような円弧に沿った形状を有する溝１５Ｇが形成されるのが好ましい。

【0130】

また、上述の実施例においては、活性層１９の歪みを緩和するためには、溝１５Ｇが発光領域の外縁から５０μｍ以下の円形領域の中に形成されることが好ましいとした。上記レーザ光の偏光方向の制御のためには、さらに、溝１５Ｇを、面発光レーザを上方から見た際の前記活性層の発光強度が、前記活性層の発光ピークの１．８％以下になる領域に形成することが好ましい。

【0131】

言い換えれば、溝１５Ｇを形成する領域、例えば図１６の環状領域ＣＲは、発光領域の外縁から５０μｍ以下の距離にありかつ、面発光レーザを上方から見た際の前記活性層の発光強度が、前記活性層の発光ピークの１．８％以下になる領域であるのが好ましい。

【0132】

これは、活性層１９から出射される光を溝１５Ｇの形成領域の内側に閉じ込める、溝１５Ｇによる閉じ込め効果を発生させないためである。この閉じ込め効果が発生すると、発生しない場合に比べて偏光方向が軸ＡＸ１の沿った方向以外にばらついてしまう故に、閉じ込め効果を発生させないことが好ましい。

【0133】

なお、溝１５Ｇは、軸ＡＸ２に沿った方向において開口部２５Ｈと重ならないように形成されるのが好ましい。このようにすることで、軸ＡＸ２に沿った方向における活性層１９の歪みの緩和の発生が抑制され、軸ＡＸ２に沿った方向の偏光方向を有する光の発生が抑えられる。

【0134】

言い換えれば、活性層１９の軸ＡＸ１に沿った方向と軸ＡＸ２に沿った方向における歪みの緩和の差を大きくし、歪みの緩和の異方性を高めることで、面発光レーザ７０から発せられる光のうち、軸ＡＸ１に沿った方向の偏光方向を有する光の割合を大きくすることが可能となる。

【0135】

なお、実施例５においては、基板１１の上面がｃ面から非極性面であるｍ面にオフセットしている場合を説明したが、基板１１の上面はｃ面から他の非極性面であるａ面にオフセットしていてもよい。その場合、実施例５における面発光レーザ７０において、軸ＡＸ１がａ軸に沿った軸となり、開口部２５Ｈから見て軸ＡＸ１に沿った方向にある領域に溝ＧＶが形成されることとなる。

【0136】

上述したように、実施例５の面発光レーザによれば、特定の方向に偏光方向を有する直線偏光を多く含む光、すなわち偏光方向が揃った光を得ることが可能となる。このように実施例５の面発光レーザ７０からの出射光自体が、偏光方向の揃った光であることにより、液晶や偏光素子のような光学系を使用することによる光の損失を最小限に抑えて、特定の偏光方向を有する光を容易に得ることが可能となる。

【0137】

例えば、偏光方向が揃った光が必要とされるセンサ光、例えばライファイ用等の通信用の光を得る際に、実施例５の面発光レーザ７０のような面発光レーザが有用である。

【0138】

上述の実施例においては、絶縁領域を形成して電流狭窄を生じさせかつ屈折率が低い領域を形成するために、絶縁層２５を設けることとしたが、絶縁層２５を設ける代わりに他の方法で電流狭窄を生じさせかつ屈折率の低い領域を生じさせてもよい。例えば、上記実施例で絶縁層２５が設けられている半導体構造層１５の表面をエッチングすることによって、絶縁領域及び屈折率の低い領域を形成してもよい。また、絶縁層２５が設けられている半導体構造層１５の表面に、イオン注入をすることによって、絶縁領域及び屈折率の低い領域を形成して、上記実施例における絶縁層２５を形成したのと同様の効果を生じさせることとしてもよい。イオン注入をする場合、例えば、半導体構造層１５に、Ｂイオン、Ａｌイオン、又は酸素イオンを注入する。

【0139】

また、上述のような面発光レーザ素子において、ｎ型半導体層１７上にｐ－ＧａＮ層、上記実施例と同様の活性層、ｎ－ＧａＮ層をこの順に積層させて半導体構造層１５を形成することとしてもよい。この場合、ｐ－ＧａＮ層のｎ型半導体層１７に接する領域の、上面視において上記実施例の中央領域ＣＡ重なる部分に、ｎ⁺－ＧａＮ層及びｐ⁺－ＧａＮからなるトンネル接合層を形成することとしてもよい。

【0140】

この構成を有する半導体構造層において、ｐ－ＧａＮ層からｎ型半導体層１７には、トンネル接合層の部分のみから電流が流入する。そのため、上記した絶縁層２５を形成したのと同様な電流狭窄を生じさせることが可能となる。

【0141】

上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される面発光レーザに応じて、適宜選択することができる。

【符号の説明】

【0142】

１０、４０、５０、６０、７０ 面発光レーザ
１１、５１ 基板
１３、５３ 第１の多層膜反射鏡
１５ 半導体構造層
１７ ｎ型半導体層
１９ 活性層
２１ ｐ型半導体層
２３、５２ ｎ電極
２５ 絶縁層
２７ ｐ電極
２９ 第２の多層膜反射鏡
３１ 透光電極層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】