特許 7586446 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】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(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 20060101AFI20241112BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023210780

(22)【出願日】2023-12-14

(62)【分割の表示】P 2023000386の分割

【原出願日】2018-12-20

(65)【公開番号】P2024020656

(43)【公開日】2024-02-14

【審査請求日】2023-12-28

(31)【優先権主張番号】P 2018099677

(32)【優先日】2018-05-24

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(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

(72)【発明者】

【氏名】竹内 哲也

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０８７１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９５２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２９６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３４０２２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】FURUTA, Takashi et al.，1.7-mW nitride-based vertical-cavity surface-emitting lasers using AlInN/GaN bottom DBRs，ISLC2016，米国，IEEE，2016年

(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たｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物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たｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された透光電極膜と、
前記透光電極膜上に形成された第２の多層膜反射鏡と、を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層の表面は、電流の注入領域を形成する電流狭窄部と、前記電流狭窄部よりも高い電気抵抗を有する電流狭窄層と、を備え、
前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間で共振器を構成し、
前記共振器の中心領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離は、前記共振器の前記中心領域を取り囲む周辺領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離より大きく、
前記電流狭窄層は、前記ｐ型窒化物半導体層の表面が高抵抗化処理された表面領域であることを特徴とする垂直共振器型発光素子。

【請求項2】

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ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物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たｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された透光電極膜と、
前記透光電極膜上に形成された第２の多層膜反射鏡と、を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層の表面は、電流の注入領域を形成する電流狭窄部と、前記電流狭窄部よりも高い電気抵抗を有する電流狭窄層と、を備え、
前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間で共振器を構成し、
前記共振器の中心領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離は、前記共振器の前記中心領域を取り囲む周辺領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離より大きく、
前記電流狭窄部は、トンネル接合層であり、前記電流狭窄層は、前記ｐ型窒化物半導体層の上に形成された他のｎ型窒化物半導体層であることを特徴とする垂直共振器型発光素子。

【請求項3】

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ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物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たｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された透光電極膜と、
前記透光電極膜上に形成された第２の多層膜反射鏡と、を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層の表面は、電流の注入領域を形成する電流狭窄部と、前記電流狭窄部よりも高い電気抵抗を有する電流狭窄層と、を備え、
前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間で共振器を構成し、
前記共振器の中心領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離は、前記共振器の前記中心領域を取り囲む周辺領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離より大きく、
前記透光電極膜と前記第２の多層膜反射鏡との間には、第１の透光絶縁層を含む光ガイド層を備え、
前記光ガイド層は、前記中心領域に対応する領域に凸部を有し、前記周辺領域に対応する前記凸部が設けられていない領域に前記第１の透光絶縁層の上に前記第１の透光絶縁層より屈折率の小さな第２の透光絶縁層を含むことを特徴とする垂直共振器型発光素子。

【請求項4】

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ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物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たｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された透光電極膜と、
前記透光電極膜上に形成された第２の多層膜反射鏡と、を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層の表面は、電流の注入領域を形成する電流狭窄部と、前記電流狭窄部よりも高い電気抵抗を有する電流狭窄層と、を備え、
前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間で共振器を構成し、
前記共振器の中心領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離は、前記共振器の前記中心領域を取り囲む周辺領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離より大きく、
前記第２の多層膜反射鏡は、前記中心領域及び前記周辺領域に亘る平坦性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5】

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ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物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たｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された透光電極膜と、
前記透光電極膜上に形成された第２の多層膜反射鏡と、を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層の表面は、電流の注入領域を形成する電流狭窄部と、前記電流狭窄部よりも高い電気抵抗を有する電流狭窄層と、を備え、
前記第１の多層膜反射鏡と前記第２の多層膜反射鏡との間で共振器を構成し、
前記共振器の中心領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離は、前記共振器の前記中心領域を取り囲む周辺領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの光学距離より大きく、
前記中心領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの間の等価屈折率ｎ１、前記周辺領域における前記第１の多層膜反射鏡から前記第２の多層膜反射鏡までの間の等価屈折率ｎ２とした場合の比屈折率差Δｎ＝（ｎ１－ｎ２）／ｎ１は、０より大きく、１．０×１０ ^－２ 以下であることを特徴とする垂直共振器型発光素子。

【請求項6】

前記電流狭窄層は、絶縁層であることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項7】

前記共振器の前記中心領域における前記光学距離は、前記発光層から放出される光の前記中心領域の媒質内における波長λの４倍以上であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項8】

前記電流狭窄部の径は、５．５μｍ以下であ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】

前記高抵抗化処理された表面領域は、イオン注入が行われた表面領域である請求項１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】

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、閾値電圧が低いこと、及び高出力であることなどが好ましい。また、面発光レーザにおいては、出力が安定していること、例えばスロープ効率が高いことが好ましい。

【0005】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、低閾値及び高出力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】

【0006】

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、発光層を含む半導体構造層と、半導体構造層上に形成され、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、第１及び第２の多層膜反射鏡間において基板に垂直な方向に延びかつ発光層の発光中心を含む中心領域と、中心領域の周囲に設けられかつ中心領域よりも第１及び第２の多層膜反射鏡間の光学距離が小さい周辺領域と、を含む光ガイド構造を形成する光ガイド層と、を有し、第２の多層膜反射鏡は、中心領域及び周辺領域に亘る平坦性を有することを特徴としている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1A】実施例１に係る面発光レーザの断面図である。

【図1B】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2A】実施例１に係る面発光レーザの模式的な断面図である。

【図2B】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3】実施例１に係る面発光レーザの共振器長、半導体構造層内の電流路の幅及び光出力の関係を示す図である。

【図4】実施例２に係る面発光レーザの断面図である。

【図5】実施例３に係る面発光レーザの断面図である。

【図6】実施例４に係る面発光レーザの断面図である。

【図7】実施例５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】

【0008】

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】

【0009】

図１Ａ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１Ｂは、面発光レーザ１０の模式的な上面図である。図１Ａは、図１ＢのＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図１Ａ及び図１Ｂを用いて、面発光レーザ１０の構成について説明する。

【0010】

まず、面発光レーザ１０の構成の概略について説明する。面発光レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成され、発光層１４を含む半導体構造層（発光構造層）ＥＭと、半導体構造層ＥＭを介して互いに対向して配置された第１及び第２の多層膜反射鏡（以下、単にそれぞれ第１及び第２の反射鏡と称する）１２及び１９と、を有する。

【0011】

また、面発光レーザ１０は、半導体構造層ＥＭに電圧を印加するための第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２を有する。また、本実施例においては、面発光レーザ１０は、第２の反射鏡１９が実装用基板（図示せず）に向かって接合された構造を有する。また、面発光レーザ１０は、第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２から基板１１とは反対側に延びて当該実装用基板の端子又は配線にそれぞれ接続される接続電極（図示せず）を有する。本実施例においては、面発光レーザ１０は、フリップチップ実装によって実装されている。

【0012】

次に、面発光レーザ１０の動作の概略について説明する。第１及び第２の反射鏡１２及び１９は、半導体構造層ＥＭに垂直な方向を共振器長方向とする共振器を構成する。第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２間に電圧が印加されると、半導体構造層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１９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）。

【0013】

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１９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１９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に及び半導体構造層ＥＭに垂直な方向に光を出射する。

【0014】

次に、面発光レーザ１０の詳細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、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。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。

【0015】

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及び半導体構造層ＥＭ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。

【0016】

なお、本実施例においては、第１の反射鏡１２の最も基板１１側の層は高屈折率半導体層Ｈ１であり、第１の反射鏡１２の最も半導体構造層ＥＭ側の層は低屈折率半導体層Ｌ１である。また、本実施例においては、基板１１と第１の反射鏡１２との間にはバッファ層（図示せず）が設けられている。

【0017】

半導体構造層ＥＭは、発光層１４がｎ型半導体層（第１の半導体層）１３及びｐ型半導体層（第２の半導体層）１５に挟まれた構造を有する。本実施例においては、半導体構造層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上に形成されたｐ型半導体層１５と、を有する。ｎ型半導体層１３は第１の電極Ｅ１に接続され、ｐ型半導体層１５は第２の電極Ｅ２に接続されている。

【0018】

本実施例においては、半導体構造層ＥＭは、窒化物系半導体からなる。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。また、ｐ型半導体層１５は、ＧａＮの組成を有し、Ｍｇをｐ型不純物として含む。

【0019】

なお、半導体構造層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、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からなる多重量子井戸構造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。

【0020】

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、第２の反射鏡１９側の表面に、第２の電極Ｅ２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、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、中間層として、例えばＧａＮ層を有していればよい。

【0021】

面発光レーザ１０は、半導体構造層ＥＭ内の電流路を狭窄し、発光層１４の発光領域及びその中心を画定する電流狭窄層１５Ａを有する。本実施例においては、電流狭窄層１５Ａは、ｐ型半導体層１５としてのＧａＮ層の表面における他の領域よりも高い電気抵抗を有する部分である。例えば、本実施例においては、電流狭窄層１５Ａは、イオンが注入されて高抵抗化処理が施されたＧａＮ層の表面領域である。

【0022】

電流狭窄層１５Ａは、半導体構造層ＥＭ内の電流路を狭窄する電流狭窄部ＣＣを有し、半導体構造層ＥＭへの電流の注入領域を形成する。電流狭窄部ＣＣは、本実施例においては、電流狭窄層１５Ａにおける開口径Ｄの開口部である。また、本実施例においては、当該電流路の開口部は、ｐ型半導体層１５としてのＧａＮ層におけるイオン注入が行われていない表面領域である。

【0023】

また、本実施例においては、電流狭窄部ＣＣとしての電流狭窄層１５Ａの開口部は、円形状を有する。第２の電極Ｅ２からの注入された電流は、電流狭窄部ＣＣを通って半導体構造層ＥＭ（発光層１４）に注入される。なお、電流狭窄部ＣＣは、円形状（円柱形状）を有する場合に限定されない。例えば、電流狭窄部ＣＣは、角柱形状、楕円形状など、種々の形状を有することができる。

【0024】

面発光レーザ１０は、電流狭窄層１５Ａ上に形成された透光電極膜１６を有する。透光電極膜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膜である。透光電極膜１６は、電流狭窄層１５Ａの開口部からｐ型半導体層１５に接触している。すなわち、透光電極膜１６は、電流狭窄層１５Ａ上に形成され、電流狭窄部ＣＣを介してｐ型半導体層１５に接続されている。例えば、透光電極膜１６は、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる。また、透光電極膜１６は、第２の電極Ｅ２に接続されている。

【0025】

面発光レーザ１０は、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間に、基板１１に垂直な方向に延びかつ発光層１４の発光中心を含む領域である中心領域Ｒ１と、中心領域Ｒ１の周囲に設けられかつ中心領域Ｒ１よりも第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離（物理的距離と媒質内の等価屈折率との積）が小さい周辺領域Ｒ２と、含む光ガイド構造ＧＤを形成する光ガイド層ＬＧを有する。

【0026】

なお、発光層１４の発光領域とは、例えば、発光層１４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１４の発光領域とは、発光層１４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に垂直な直線が発光中心軸ＣＡである。発光中心軸ＣＡは、第１及び第２の反射鏡１２及び１９によって構成される共振器の共振器長方向に沿って延びる直線である。

【0027】

本実施例においては、発光層１４の発光中心は、例えば、基板１１に垂直な方向から見たとき、電流狭窄層１５Ａの電流狭窄部ＣＣ（開口部）の中心と重なる位置に配置された発光層１４の部分である。また、発光中心軸ＣＡ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。

【0028】

また、図１Ｂに模式的に示すように、中心領域Ｒ１は、発光中心軸ＣＡに沿って円柱状に延びる領域である。また、周辺領域Ｒ２は、中心領域Ｒ１を取り囲むように発光中心軸ＣＡに沿って円筒状に延びる領域である。なお、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２は、それぞれ、所定の幅を有している。また、中心領域Ｒ１と周辺領域Ｒ２との間に明確な境界が存在する必要はない。第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離、例えば等価的な共振波長が中心領域Ｒ１では相対的に大きく、その周辺では相対的に小さくなっていればよい。

【0029】

本実施例においては、光ガイド層ＬＧは、透光電極膜１６上において中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘って設けられ、発光中心軸ＣＡ上に凸部１７Ｐを有する第１の透光絶縁層１７と、周辺領域Ｒ２内の第１の透光絶縁層１７上に設けられ、第１の透光絶縁層１７よりも小さな屈折率を有する第２の透光絶縁層１８と、を含む。凸部１７Ｐは、例えば円柱形状を有し、発光中心軸ＣＡと同軸に設けられている。

【0030】

換言すれば、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間における第１の透光絶縁層１７の凸部１７Ｐが設けられた領域が中心領域Ｒ１であり、凸部１７Ｐが設けられていない領域が周辺領域Ｒ２である。また、凸部１７Ｐの幅（例えば直径）が中心領域Ｒ１の幅に対応する。また、凸部１７Ｐの端部から第２の反射鏡１９の端部までの長さが周辺領域Ｒ２の幅に対応する。

【0031】

本実施例においては、中心領域Ｒ１には第１の透光絶縁層１７のみが設けられており、周辺領域Ｒ２には第１及び第２の透光絶縁層１７及び１８の両方が設けられている。また、第２の透光絶縁層１８は、第２の透光絶縁層１８の上面が第１の透光絶縁層１７の凸部１７Ｐの上面と同一の位置に配置されるように構成されている。従って、本実施例においては、光ガイド層ＬＧの上面は、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘って平坦性を有する平坦面Ｓ１である。

【0032】

例えば、第１の透光絶縁層１７は、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＨｆＯ₂などの金属酸化物からなる。また、例えば、第２の透光絶縁層１８は、ＳｉＯ₂などの金属酸化物からなる。本実施例においては、第１の透光絶縁層１７は、Ｔａ₂Ｏ₅からなる。

【0033】

第２の反射鏡１９は、光ガイド層ＬＧ（第１及び第２の透光絶縁層１７及び１８）上に形成され、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。

【0034】

すなわち、本実施例においては、第２の反射鏡１９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。

【0035】

また、本実施例においては、第２の反射鏡１９は、光ガイド層ＬＧの上面である平坦面Ｓ１上に形成されている。従って、第２の反射鏡１９における高屈折率誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体層Ｌ２の各々は、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘って平坦性を有する。例えば、第２の反射鏡１９には、中心領域Ｒ１と周辺領域Ｒ２と間に段差となる傾斜部及び屈曲部が存在しない。

【0036】

なお、本明細書においては、平坦性とは、発光層１４からの放出光、すなわち第１及び第２の反射鏡１２及び１９間に生成される定在波（レーザ光）にとって不感となる範囲内の凹凸を含む平面形状をいう。

【0037】

例えば、中心領域Ｒ１における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間（すなわち共振器内）の等価屈折率（ｎ型半導体層１３、発光層１４、ｐ型半導体層１５、透光電極膜１６及び第１の透光絶縁層１７の各々の屈折率と定在波の光分布の加重平均）をｎ１、発光層１４からの放出光のピーク波長（真空中の波長）をλ１とした場合、高屈折率誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２の各々の表面及び両者の界面に設けられた凹凸の高さＨＣがＨＣ＜λ１／（ｎ１・２０）の範囲内である場合、高屈折率誘電体膜Ｈ２及び低屈折率誘電体膜Ｌ２の各々は平坦性を有するものとする。なお、より好ましくは、凹凸高さＨＣは、ＨＣ＜λ１／（ｎ１・５０）の範囲内であることが好ましい。

【0038】

例えば、本実施例においては、発光層１４がＩｎＧａＮの組成を有し、発光層１４から放出される光のピーク波長は約４４５ｎｍ（λ１＝４４５ｎｍ）である。また、本実施例においては、中心領域Ｒ１における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の等価屈折率は約２．４３となる。この場合、例えば高屈折率誘電体膜Ｈ２の光ガイド層ＬＧとの界面における凹凸の高さＨＣは、約９．２ｎｍ（＝４４５／（２．４３・２０））以下であればよく、約４．７ｎｍ（＝４４５／（２．４３・５０））以下であることが好ましい。

【0039】

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。ｐ型半導体層１５は、５０ｎｍの層厚を有する。電流狭窄層１５Ａにおける電流狭窄部ＣＣは、１０μｍの開口径を有する。第１の透光絶縁層１７の凸部１７Ａは、６μｍの直径を有する。また、第２の反射鏡１９は、１０ペアのＴａ₂Ｏ₅層及びＡｌ₂Ｏ₃層からなる。なお、これらは一例に過ぎない。

【0040】

図２Ａは、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離を模式的に示す図である。また、図２Ｂ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。

【0041】

まず、図２Ａに示すように、本実施例においては、光ガイド層ＬＧは、全体としては中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の両方で同一の層厚を有する。一方、光ガイド層ＬＧは、中心領域Ｒ１では第１の透光絶縁層１７のみからなり、周辺領域Ｒ２では第１及び第２の透光絶縁層１７及び１８からなる。

【0042】

従って、本実施例においては、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離は、光ガイド層ＬＧにおける中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２間での層構成の差によって互いに異なることとなる。また、第２の透光絶縁層１８の屈折率は、第１の透光絶縁層１７の屈折率よりも小さい。従って、周辺領域Ｒ２における光ガイド層ＬＧの（平均）屈折率は、中心領域Ｒ１における光ガイド層ＬＧの（平均）屈折率よりも小さい。

【0043】

従って、中心領域Ｒ１における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離を光学距離ＯＬ１とし、周辺領域Ｒ２における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離を光学距離ＯＬ２とすると、光学距離ＯＬ２は、光学距離ＯＬ１よりも小さい。換言すれば、周辺領域Ｒ２における等価的な共振器長（共振波長）は、中心領域Ｒ１における等価的な共振器長よりも小さい。

【0044】

図２Ｂ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２Ｂに示すように、中心領域Ｒ１に収束しつつ外部に取り出される。なお、図２Ｂ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。

【0045】

具体的には、本実施例においては、光ガイド層ＬＧ（光ガイド構造ＧＤ）を設けることによって、周辺領域Ｒ２における反射鏡間の光学距離ＯＬ２は、中心領域Ｒ１における反射鏡間の光学距離ＯＬ１よりも小さい。従って、周辺領域Ｒ２における反射鏡間の媒質の等価屈折率は、中心領域Ｒ１における反射鏡間の等価屈折率よりも小さい。

【0046】

これによって、共振器内の定在波が中心領域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、中心領域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、多くの光が発光中心軸ＣＡの近傍に集中し、安定して単峰性又は多峰性の強度分布を有するレーザ光ＬＢを生成及び出射することができる。

【0047】

また、単峰性又は多峰性のレーザ光ＬＢを生成することを考慮すると、例えば周辺領域Ｒ２に光を吸収する層又は部分などを設けることが考えられる。しかし、本実施例においては、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２間で屈折率の差を設けることで光ガイド構造ＧＤ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を用いて単峰性のレーザ光ＬＢを生成することができる。

【0048】

また、本実施例においては、第２の反射鏡１９は、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘って平坦な誘電体膜によって形成されている。従って、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間における光の散乱損失が抑制される。仮に、第２の反射鏡１９が中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２間に段差を有する場合、当該段差部分で光が散乱し、安定した反射が起きにくくなる。本実施例においては、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の全体で第１及び第２の反射鏡１２及び１９が平坦性を有する。従って、散乱損失が大幅に低減された共振器となる。

【0049】

従って、面発光レーザ１０は、閾値電圧を低減しつつ高出力なレーザ光ＬＢを安定して出射する半導体レーザとなる。また、上記した種々の損失を抑制することで、動作電流に対する出力強度の関係、すなわちスロープ効率も大幅に改善する。従って、低閾値及び高出力であり、安定したレーザ光ＬＢを生成することが可能な面発光レーザ１０を提供することができる。

【0050】

図３は、面発光レーザ１０における共振器長及び電流狭窄径と、光出力との関係を示す図である。図の横軸は、面発光レーザ１０の共振器長、本実施例においては中心領域Ｒ１における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の距離（物理的な距離、以下、共振器長と称する）Ｌを発光層１４から放出される光の中心領域Ｒ１の媒質内における波長（発光波長λ１を等価屈折率ｎ１で割ったもの、以下、媒質内波長と称する）λで割ったものを示している。

【0051】

なお、中心領域Ｒ１の媒質とは、本実施例においては、中心領域Ｒ１に設けられた要素であるｎ型半導体層１３、発光層１４、ｐ型半導体層１５、透光電極膜１６及び第１の透光絶縁層１７の全体をいう。また、図の縦軸は、面発光レーザ１０から出射されるレーザ光ＬＢのうち、シングルモードの光成分の出力を示している。

【0052】

なお、図３には、電流狭窄径である電流狭窄部ＣＣの開口径Ｄ（図１を参照）を種々調節した面発光レーザ１０からの光出力のうち、代表的なものとして、開口径Ｄをそれぞれ５．５μｍ及び８．０μｍに設定した上で共振器長Ｌを種々調節した場合の光出力を示している。また、本実施例においては、共振器長Ｌを調節するために、ｎ型半導体層１３の層厚を調節した。

【0053】

まず、本願の発明者らは、面発光レーザ１０における電流狭窄部ＣＣの開口径Ｄ及び共振器長Ｌを適切に設定することで、レーザ光ＬＢの発振モードにおける横モードを安定させることができることを見出した。これによって、例えば、高出力な単峰性のレーザ光ＬＢを安定して生成することが可能となる。

【0054】

具体的には、共振器長Ｌは発光層１４から放出される光の媒質内波長λの４倍以上であること、及び、電流狭窄径は５．５μｍ以下であることが好ましい。これによって、図３に示すように、共振器長Ｌに比例してシングルモードで発振するレーザ光ＬＢの光出力が増大することがわかる。

【0055】

これは、まず、共振器長Ｌが長いほど、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２間の媒質（レーザ媒質）内の等価屈折率の差が小さくなることに起因する。中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２間での等価屈折率の差が小さいと、全反射の条件を満たすモードの数が制限され、中心領域Ｒ１内に存在できる高次モードの数を減らすことができる。また、共振器長Ｌが長いほど、高次モードの光成分と基本モードであるシングルモードの光成分との間の回折損失の差が増大する。従って、共振器長が長いほど、レーザ光ＬＢ内のシングルモードの光成分の比率が大きくなる。

【0056】

また、本願の発明者らは、共振器長Ｌが長くなるほど、発光領域の発熱（温度上昇）が抑制されることを見出した。また、本願の発明者らは、当該発光領域の発熱を抑制することで、レーザ媒質内における意図しない熱レンズ効果の発生を抑制することができ、高次モードの増大を抑制することができることを見出した。これらは、本願の発明者らが実験を行うことで確認できた。

【0057】

例えば、中心領域Ｒ１の等価屈折率を屈折率ｎ１とし、周辺領域Ｒ２の等価屈折率を屈折率ｎ２とした場合、屈折率ｎ１及びｎ２の比屈折率差Δｎは、（ｎ１－ｎ２）／ｎ１として定義されることができる。そして、比屈折率差Δｎは、Δｎ≦１．０×１０^-2の関係を満たすことが好ましい。例えば、本実施例においては、共振器長Ｌを媒質内波長λの１０倍に設定した面発光レーザ１０を作製した。この面発光レーザ１０においては、当該比屈折率差Δｎは、約１．５×１０^-3であった。

【0058】

次に、本願の発明者らは、共振器長Ｌを媒質内波長λの４波長分以上とし、電流狭窄径を５．５μｍ以下とすることで、シングルモードの光成分が支配的とったレーザ光ＬＢが出射されることを確認した。従って、この条件を満たすことで、シングルモードの光出力が共振器長を長くすることで増大し、安定した単峰性であり高出力なレーザ光ＬＢが出射される。なお、電流狭窄部ＣＣの開口径Ｄが５．５μｍよりも大きい場合、例えば開口径Ｄが８．０μｍの場合、図３に示すように、シングルモードでのレーザ発振が安定せず、共振器長Ｌを長くしてもシングルモードの光出力としては増大しなかった。

【0059】

このように、高出力な単峰性のレーザ光ＬＢを得ることを考慮した場合、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間には、半導体構造層ＥＭ内の電流路を狭窄しかつ発光中心軸ＣＡ（発光層１４の発光中心）を画定する電流狭窄層１５Ａが設けられており、電流狭窄層１５Ａは、電流路の開口部を形成し、５．５μｍ以下の開口径Ｄを有する電流狭窄部ＣＣを有することが好ましい。そして、共振器長Ｌ、すなわち、本実施例においては、中心領域Ｒ１における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の距離は、発光層１４から放出される光の媒質内波長λの４倍以上であることが好ましい。

【0060】

なお、本実施例においては、第１の反射鏡１２から基板１１を介してレーザ光ＬＢを出射する場合について説明した。この場合、基板１１の第１の反射鏡１２とは反対側の表面に、反射防止膜（ＡＲコーティング）を設けることが好ましい。しかし、面発光レーザ１０は、第１の反射鏡１２側からレーザ光ＬＢを出射する場合に限定されない。面発光レーザ１０は、第２の反射鏡１９側からレーザ光ＬＢを出射するように構成されていてもよい。この場合、例えば、第２の反射鏡１９の光反射率が第１の反射鏡１２の光反射率よりも小さくなるように第１及び第２の反射鏡１２及び１９を構成すればよい。

【0061】

また、本実施例においては、電流狭窄層１５ＡがＧａＮ層の表面の一部の高抵抗領域として形成される場合について説明した。しかし、電流狭窄層１５Ａの構成はこれに限定されない。例えば、電流狭窄層１５Ａは、半導体構造層ＥＭ上に設けられた絶縁層として構成されていてもよい。この場合、当該絶縁層が電流狭窄部ＣＣとして機能する開口部を有していればよい。

【0062】

また、本実施例においては、第１の反射鏡１２が半導体多層膜反射鏡であり、第２の反射鏡１９が誘電体多層膜反射鏡である場合について説明した。しかし、第１及び第２の反射鏡１２及び１９の構成はこれに限定されない。例えば、第２の反射鏡１９は半導体多層膜反射鏡であってもよいし、第１及び第２の反射鏡１２及び１９の両方が誘電体多層膜反射鏡であってもよい。第１及び第２の反射鏡１２及び１９の各々は、屈折率が互いに異なる複数の膜が積層された多層膜反射鏡であればよい。

【0063】

また、本実施例においては、光ガイド層ＬＧが透光電極膜１６と第２の反射鏡１９との間に形成された第１及び第２の透光絶縁層１７及び１８からなる場合について説明した。また、第１の透光絶縁層１７が凸部１７Ｐを有し、第２の透光絶縁層１８がこの凸部１７Ｐと同一の高さの上面を有するように第１の透光絶縁層１７上に形成される場合について説明した。しかし、光ガイド層ＬＧの構成はこれに限定されない。光ガイド層ＬＧは、例えば、中心領域Ｒ１において周辺領域Ｒ２よりも高い等価屈折率を有するように構成されていればよい。

【0064】

例えば、第２の透光絶縁層１８は、凸部１７Ｐ上に形成されていてもよい。すなわち、第２の透光絶縁層１８は、少なくとも周辺領域Ｒ２における第１の透光絶縁層１７上に形成されていればよい。また、第２の透光絶縁層１８は、光ガイド層ＬＧの上面を平坦化するように構成されていればよい。例えば、第２の透光絶縁層１８は、光ガイド層ＬＧの上面を平坦化するように周辺領域Ｒ２の第１の透光絶縁層１７上に形成されていればよい。

【0065】

また、例えば、第１及び第２の透光絶縁層１７及び１８間に他の透光絶縁層が設けられていてもよい。また、例えば、光ガイド層ＬＧは、光ガイド構造ＧＤとして、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２間に両者の中間の光学距離となる中間領域を形成するように構成されていてもよい。

【0066】

また、本実施例においては、光ガイド層ＬＧが平坦な上面を有する場合について説明した。しかし、第２の反射鏡１９が中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘る平坦性を有していれば、光ガイド層ＬＧの構成はこれに限定されない。光ガイド層ＬＧは、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間に中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２を含む光ガイド構造ＧＤを形成していればよい。

【0067】

このように、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１２と、第１の多層膜反射鏡１２上に形成され、発光層１４を含む半導体構造層ＥＭと、半導体構造層ＥＭ上に形成され、第１の多層膜反射鏡１２との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡１９と、を有する。

【0068】

また、面発光レーザ１０は、第１及び第２の多層膜反射鏡１２及び１９間に、基板１１に垂直な方向に延びかつ発光層１４の発光領域（発光中心を通る発光中心軸ＣＡを含む領域）上に設けられた中心領域Ｒ１と、中心領域Ｒ１の周囲に設けられかつ中心領域Ｒ１よりも第１及び第２の多層膜反射鏡１２及び１９間の光学距離が小さい周辺領域Ｒ２と、含む光ガイド構造ＧＤを形成する光ガイド層ＬＧを有する。また、第２の多層膜反射鏡１９は、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘る平坦性を有する。従って、低閾値及び高出力な面発光レーザ１０（及び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】

【0069】

図４は、実施例２に係る面発光レーザ２０の断面図である。面発光レーザ２０は、トンネル接合による電流狭窄構造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。

【0070】

図４に示すように、面発光レーザ１０は、ｐ型半導体層１５上に設けられたトンネル接合層２１と、トンネル接合層２１上を埋め込んでトンネル接合層２１及びｐ型半導体層１５上に設けられたｎ型半導体層（第２のｎ型半導体層又は第３の半導体層）２２と、を有する。

【0071】

本実施例においては、トンネル接合層２１は、ｐ型半導体層１５上に形成され、ｐ型半導体層（第２の半導体層）１５よりも高い不純物濃度を有するハイドープｐ型半導体層（図示せず）と、当該ハイドープｐ型半導体層上に形成され、ｎ型半導体層（第１のｎ型半導体層又は第１の半導体層）１３よりも高い不純物濃度を有するハイドープｎ型半導体層（図示せず）と、を含む。

【0072】

また、本実施例においては、第２の電極Ｅ２は、ｎ型半導体層２２上に形成されている。また、光ガイド層ＬＧは、ｎ型半導体層２２上に形成され、中心領域Ｒ１上に凸部１７ＡＰを有する第１の透光絶縁層１７Ａと、周辺領域Ｒ２における第１の透光絶縁層１７上に形成された第２の透光絶縁層１８Ａと、を有する。第１及び第２の透光絶縁層１７Ａ及び１８Ａ並びに凸部１７ＡＰは、面発光レーザ１０における第１及び第２の透光絶縁層１７及び１８並びに凸部１７Ｐとそれぞれ同様の構成を有する。

【0073】

本実施例においては、トンネル接合層２１が電流狭窄層として機能し、トンネル接合層２１の領域が電流狭窄部ＣＣとして機能する。また、トンネル接合層２１の中心が発光層１４の発光中心の位置に対応し、この中心を通る基板１１に垂直な直線が発光中心軸ＣＡである。すなわち、本実施例においては、半導体構造層ＥＭ内の電流路を狭窄し、発光層１４の発光中心及び発光領域を画定する電流狭窄層がトンネル接合層２１を有する。

【0074】

また、ｎ型半導体層２２上には、トンネル接合層２１の形状を引き継ぐ凸部が設けられる。第１の透光絶縁層１７Ａの凸部１７ＡＰは、当該トンネル接合層２１の領域に対応する他の領域よりも突出した部分である。第２の透光絶縁層１８Ａは、この凸部１７ＡＰの高さに対応する上面を有するように、周辺領域Ｒ２における第１の透光絶縁層１７Ａ上に形成されている。

【0075】

換言すれば、本実施例においては、トンネル接合層２１の領域は、電流狭窄部ＣＣであり、これに対応する第１の透光絶縁層１７Ａの凸部１７ＡＰによって中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２が画定される。従って、トンネル接合層２１の幅が中心領域Ｒ１の幅に対応する。

【0076】

本実施例のように、トンネル接合を用いて電流狭窄構造を形成する場合、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間には、光ガイド層ＬＧを除く全てのレーザ媒質が半導体層となる。従って、各層の位置精度が安定し、また設計した特性に近い光学特性の面発光レーザ２０となりやすい。

【0077】

また、本実施例のように、トンネル接合を用いた電流狭窄構造を有する面発光レーザ２０においても、光ガイド層ＬＧによって互いに第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離が異なる中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２を含む光ガイド構造ＧＤが形成されることができる。また、光ガイド層ＬＧの上面を平坦面Ｓ１とすることで、光ガイド層ＬＧ上の第２の反射鏡１９は中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘って平坦性を有する。従って、低閾値及び高出力な面発光レーザ２０を提供することができる。

【実施例3】

【0078】

図５は、実施例３に係る面発光レーザ３０の断面図である。面発光レーザ３０は、半導体構造層ＥＭ内のｐ型半導体層（第２の半導体層）３１が光ガイド層ＬＧを構成することを除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。

【0079】

具体的には、半導体構造層ＥＭは、発光層１４上に形成され、中心領域Ｒ１内に凸部３１Ａを有するｐ型半導体層３１を有する。また、面発光レーザ３０は、周辺領域Ｒ２におけるｐ型半導体層３１上に形成され、ｐ型半導体層３１よりも小さな屈折率を有する透光絶縁層３２を有する。本実施例においては、光ガイド層ＬＧは、このｐ型半導体層３１及び透光絶縁層３２を含む。透光絶縁層３２は、例えばＳｉＯ₂からなる。

【0080】

また、透光絶縁層３２は、ｐ型半導体層３１の凸部３１Ａの側面を覆うように周辺領域Ｒ２におけるｐ型半導体層３１上に形成されている。また、透光絶縁層３２は、ｐ型半導体層３１の凸部３１Ａの上面と透光絶縁層３２の上面が同一平面となるようにｐ型半導体層３１上に形成されている。すなわち、透光絶縁層３２は、光ガイド層ＬＧの上面を平坦化するように周辺領域Ｒ２のｐ型半導体層３１上に形成されている。従って、光ガイド層ＬＧの上面は中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２に亘って平坦性を有する平坦面Ｓ２となる。

【0081】

本実施例においては、光ガイド層ＬＧの透光絶縁層３２は、電流狭窄層として機能する。また、ｐ型半導体層３１の凸部３１Ａの側面を覆う透光絶縁層３２の部分は、電流狭窄部ＣＣとしての開口部を形成する。従って、本実施例においては、光ガイド層ＬＧは、光ガイド構造ＧＤを形成するのみならず、電流狭窄構造を有する。

【0082】

ｐ型半導体層３１上には、凸部３１Ａの上面に接触しつつ透光絶縁層３２上に形成された透光電極膜１６が設けられており、透光電極膜１６には第２の電極Ｅ２が接続されている。

【0083】

また、本実施例においては、透光電極膜１６上には、絶縁層３３が形成され、絶縁層３３上に第２の反射鏡３４が形成されている。絶縁層３３は、共振器長を画定するためのスペーサ層（位相調整層）として設けられている。本実施例においては、絶縁層３３は、Ｎｂ₂Ｏ₅層からなる。また、第２の反射鏡３４は、高屈折率誘電体膜Ｈ２１としてのＮｂ₂Ｏ₅層と、低屈折率誘電体膜Ｌ２１としてのＳｉＯ₂層が複数回積層された構造を有する。本実施例においては、第２の反射鏡３４は、誘電体多層膜反射鏡である。

【0084】

本実施例のように、光ガイド層ＬＧを半導体層によって形成することで、光ガイド層ＬＧに電流狭窄機能を持たせることもできる。従って、構成が単純化されつつ、低閾値及び高出力な面発光レーザ３０を提供することができる。

【0085】

なお、例えば面発光レーザ３０においても、実施例１において図３を用いて説明した電流狭窄径（開口径Ｄ）及び共振器長Ｌを適切に調節することで、発振モードを安定させることができる（例えばシングルモードで発振させることができる）。

【0086】

すなわち、面発光レーザ３０においては、透光絶縁層３２が半導体構造層ＥＭ内の電流路を狭窄しかつ発光中心軸ＣＡ（発光層１４の発光中心）を画定する電流狭窄層として機能する。そして、例えば、この電流狭窄層としての透光絶縁層３２は、電流路の開口部を形成し、５．５μｍ以下の開口径Ｄを有する電流狭窄部ＣＣを有することが好ましい。

【0087】

また、中心領域Ｒ１における第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の距離Ｌは、発光層１４から放出される光の中心領域Ｒ１の媒質内における波長λの４倍以上であることが好ましい。本実施例においては、中心領域Ｒ１の媒質とは、ｎ型半導体層１３、発光層１４、ｐ型半導体層３１、透光電極膜１６及び絶縁層３３の全体をいう。

【0088】

なお、面発光レーザ３０における当該共振器長Ｌの調節例として、面発光レーザ３０の各層は、例えば以下の構成を有する。ｎ型半導体層１３は、１５７０ｎｍの層厚を有するｎ－ＧａＮ層からなる。発光層１４は、３つの４ｎｍのＩｎＧａＮ層（井戸層）及び５ｎｍのＧａＮ層（障壁層）が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層からなる。

【0089】

また、ｐ型半導体層３１は、中心領域Ｒ１に５．５μｍの直径の凸部３１Ａを有し、中心領域Ｒ１おいて５０ｎｍの層厚を有し、周辺領域Ｒ２において３０ｎｍの層厚を有するｐ－ＧａＮ層を有する。透光絶縁層３２は、ｐ型半導体層３１の凸部３１Ａの上面を除くｐ型半導体層３１の表面上に、２０ｎｍの層厚で形成されたＳｉＯ₂層からなる。透光電極膜１６は、２０ｎｍの層厚を有するＩＴＯ膜からなる。また、絶縁層３３は、４０ｎｍの層厚を有するＮｂ₂Ｏ₅層からなる。

【0090】

例えばこのように各層の層厚を調節することで、発光層１４から放出される光における媒質内波長λの１０倍分に対応する共振器長Ｌの共振器を構成することができる。この面発光レーザ３０からの光出力を測定したところ、約５ｍＷの出力のシングルモードのレーザ光ＬＢを得ることができた。また、レーザ光ＬＢの放射角は、約５．１°であった。

【0091】

このように、電流狭窄径及び共振器長を調節することで、高出力で安定した単峰性のレーザ光ＬＢを得ることができる。また、本明細書中の他の実施例においても、同様の調節を行うことで、例えば図３に示すような効果を得ることができる。

【実施例4】

【0092】

図６は、実施例４に係る面発光レーザ４０の断面図である。面発光レーザ４０は、光ガイド層ＬＧが第１の反射鏡４１の一部及びｎ型半導体層４２によって構成されている点を除いては、面発光レーザ３０と同様の構成を有する。

【0093】

面発光レーザ４０においては、第１の反射鏡４１が中心領域Ｒ１に凹部４１Ａを有する。本実施例においては、第１の反射鏡４１における最もｎ型半導体層４２側の半導体膜である低屈折率半導体膜Ｌ１Ａは、中心領域Ｒ１に凹部４１Ａとしての開口部を有する。

【0094】

より具体的には、第１の反射鏡４１は、高屈折率半導体膜（第１の半導体膜）Ｈ１と高屈折率半導体膜Ｈ１及び半導体構造層ＥＭのｎ型半導体層（第１の半導体層）１３よりも小さな屈折率を有する低屈折率半導体膜（第２の半導体膜）Ｌ１とが複数回交互に積層された構造を有する。また、第１の反射鏡４１は、最もｎ型半導体層１３側に設けられ、中心領域Ｒ１に開口部を有する低屈折率半導体膜Ｌ１Ａを有する。

【0095】

また、ｎ型半導体層４２は、第１の反射鏡４１の凹部４１Ａを埋め込む埋込部４２Ａを有する。ｎ型半導体層４２は、平坦な上面を有する。発光層１４から絶縁層３３までの各層は、この平坦なｎ型半導体層４２上に形成されている。また、第２の反射鏡３４は、絶縁層３３の上面である平坦面Ｓ２上に形成されている。

【0096】

本実施例においては、この第１の反射鏡４１の低屈折率半導体膜Ｌ１Ａとｎ型半導体層４２は、光ガイド層ＬＧを構成する。また、本実施例における光ガイド層ＬＧにおいては、ｎ型半導体層４２のみからなる中心領域Ｒ１と、ｎ型半導体層４２及び低屈折率半導体膜Ｌ１Ａからなる周辺領域Ｒ２とが形成される。また、周辺領域Ｒ２は、中心領域Ｒ１よりも第１及び第２の反射鏡４１及び３４間の光学距離が小さい。従って、他の実施例と同様に、低閾値及び高出力な面発光レーザ４０を提供することができる。

【実施例5】

【0097】

図７は、実施例５に係る面発光レーザ５０の断面図である。面発光レーザ５０は、光ガイド構造ＬＧを除いては、面発光レーザ３０と同様の構成を有する。本実施例においては、半導体層のみによって光ガイド層ＬＧが構成されている。

【0098】

面発光レーザ５０は、半導体構造層ＥＭのｐ型半導体層１５上の一部の領域上に設けられたトンネル接合層２１を有する。トンネル接合層２１は、面発光レーザ２０におけるトンネル接合層２１と同様の構成を有する。トンネル接合層２１は、第１及び第２の反射鏡１２及び３４間における中心領域Ｒ１を画定する。

【0099】

面発光レーザ５０は、トンネル接合層２１上に設けられたｎ型半導体層（第２のｎ型半導体層又は第３の半導体層）５１と、ｎ型半導体層５１の側面を取り囲み、ｎ型半導体層５１よりも小さな屈折率を有するｎ型半導体層（第３のｎ型半導体層又は第４の半導体層）５２と、を有する。ｎ型半導体層５２は、第１及び第２の反射鏡１２及び３４間における周辺領域Ｒ２を画定する。本実施例においては、ｎ型半導体層５１、トンネル接合層２１、ｐ型半導体層１５の一部及びｎ型半導体層５２が光ガイド層ＬＧを構成する。

【0100】

ｎ型半導体層５２は、Ｇｅをｎ型不純物として含む。これによって、ｎ型半導体層５２は、ｎ型半導体層５１、トンネル接合層２１及びｐ型半導体層１５の一部（すなわち中心領域Ｒ１）の平均屈折率よりも小さな屈折率を有する。また、ｎ型半導体層５２は、ｎ型半導体層５１の上面と同一平面をなす上面を有する。すなわち、ｎ型半導体層５２は、光ガイド層ＬＧの上面を平坦化するようにｎ型半導体層５１の周囲（すなわち周辺領域Ｒ２）に形成されている。従って、光ガイド層ＬＧは、平坦な上面を有する。

【0101】

ｎ型半導体層５１及び５２上には、スペーサ層としての絶縁層３３及び第２の反射鏡３４が形成されている。光ガイド層ＬＧは平坦な上面を有するため、絶縁層３３及び第２の反射鏡３４の各々は、中心領域Ｒ１及びＲ２に亘って平坦性を有する。従って、低閾値及び高出力な面発光レーザ５０を提供することができる。

【0102】

なお、上記に示した実施例は、一例に過ぎない。例えば、上記した種々の実施例は組み合わせることができる。例えば、面発光レーザ１０が面発光レーザ４０の光ガイド構造ＧＤを有していてもよい。また、面発光レーザ４０がトンネル接合層２１による電流狭窄構造を有していてもよい。

【符号の説明】

【0103】

１０、２０、３０、４０、５０ 面発光レーザ（垂直共振器型発光素子）
１１ 基板
１２ 第１の多層膜反射鏡
ＥＭ 半導体構造層
１４ 発光層
１９、３４ 第２の多層膜反射鏡
ＬＧ 光ガイド層

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】