JP2017118034A - 垂直共振器型発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】横モード制御特性に優れ、レンズやファイバへの結合効率が高く、発振特性、安定性、信頼性に優れた垂直共振器型発光素子を提供する。【解決手段】半導体ＤＢＲ層からなる第１反射鏡１１と、第１反射鏡上に形成され、少なくとも１の半導体層からなる第１半導体層１２Ａと、第１半導体層上に形成された活性層１２Ｂと、活性層上に形成され、第1半導体層と反対の導電型を有する少なくとも１の半導体層からなる第２半導体層１２Ｃと、第２半導体層上に形成された透光性電極１５と、透光性電極上に第１反射鏡に対向して配された第２反射鏡１３と、を有し、第１反射鏡、第１半導体層及び第２半導体層のうち少なくとも１は、隣接する上層及び下層の半導体層の側壁よりも内側に窪んだＡｌを含む半導体層を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直共振器型発光素子、特に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半導体発光素子に関する。

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、基板面に対して垂直に光を共振させ、当該基板面に垂直な方向に光を出射させる構造を有する半導体レーザである。例えば、特許文献１には、窒化物半導体多層膜反射鏡と、窒化物半導体層と、開口部を有するＳｉＯ₂層と、ＩＴＯ透明電極と、誘電体多層膜と、を有する窒化物半導体面発光レーザが開示されている。また、非特許文献１には、垂直共振器型レーザの横導波分析、特に選択酸化を用いて製作される垂直共振器型レーザについて開示されている。

国際公開第2014/167965号パンフレット

OPTICS LETTERS Vol.20, No.13, p.1483

特許文献１のような構造の面発光レーザにおいて、ＩＴＯ透明電極とＳｉＯ₂層の開口部によって電流狭窄が行われるが、電流や温度の変動に対して単一横モードの維持が困難であり、面発光レーザとしての出力特性や温度駆動条件が制限されてしまっていた。閾値電流や素子の電気抵抗、動作電圧も含め、安定性上、信頼性上の問題となっていた。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、横モード制御特性に優れ、レンズやファイバへの結合効率が高く、発振特性、安定性、信頼性に優れた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。

本発明の垂直共振器型発光素子は、半導体ＤＢＲ層からなる第１反射鏡と、第１反射鏡上に形成され、少なくとも１の半導体層からなる第１半導体層と、第１半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成され、第1半導体層と反対の導電型を有する少なくとも１の半導体層からなる第２半導体層と、第２半導体層上に形成された透光性電極と、透光性電極上に第１反射鏡に対向して配された第２反射鏡と、を有し、第１反射鏡、第１半導体層及び第２半導体層のうち少なくとも１は、隣接する上層及び下層の半導体層の側壁よりも内側に窪んだＡｌを含む半導体層を有する。

また、本発明の垂直共振器型発光素子は、半導体ＤＢＲ層からなる第１反射鏡と、
第１反射鏡上に形成され、少なくとも１の半導体層からなる第１半導体層と、第１半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成され、第1半導体層と反対の導電型を有する少なくとも１の半導体層からなる第２半導体層と、第２半導体層上に第１反射鏡に対向して配された半導体ＤＢＲからなる第２反射鏡と、前記第２反射鏡上に形成された電極と、を有し、第１反射鏡、第２反射鏡、第１半導体層及び第２半導体層のうち少なくとも１は、隣接する上層及び下層の半導体層の側壁よりも内側に窪んだＡｌを含む半導体層を有する。

図１（ａ）は、実施例１の垂直共振器型発光素子を模式的に示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の部分拡大断面図である。 実施例１の垂直共振器型発光素子を模式的に示す上面図である。 実施例２の垂直共振器型発光素子を模式的に示す断面図である。 図４（ａ）は、実施例３の垂直共振器型発光素子を模式的に示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の部分拡大断面図である。 図５（ａ）は、実施例３の変形例を示す断面図である。図５（ｂ）は、実施例１及び実施例３の変形例を示す断面図である。 実施例４の垂直共振器型発光素子を模式的に示す断面図である。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

本実施例に係る垂直共振器型発光素子は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０である。図１（ａ）は、面発光レーザ１０の出射面に対して垂直な積層方向の中心軸ＣＡを含む断面を示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の破線で囲まれた部分Ｒの拡大図である。図２は、面発光レーザ１０を模式的に示す上面図である。面発光レーザ１０について、図１及び図２を参照して説明する。図の明確さのため、図２においては、上面図の一部の構成要素にハッチングを施して示す。

図１（ａ）に示すように、面発光レーザ１０は、第１半導体層１２Ａ、活性層１２Ｂ、第２半導体層１２Ｃからなる半導体構造層１２を介して互いに対向して配置された第１反射鏡１１及び第２反射鏡１３を有する。第１反射鏡１１、半導体構造層１２、絶縁層１４、透光性電極１５、第２反射鏡１３がこの順に、下地層１６上に形成されている。下地層１６はｎ−ＧａＮ層であり、例えばＧａＮからなる基板１７上に形成されている。透光性電極１５上には、透光性電極１５に電気的に接続されたｐ電極１８が設けられ、下地層１６上には、下地層１６に電気的に接続されたｎ電極１９が設けられている。図１（ａ）は、図２の上面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２においてｐ電極１８の形成領域に、ハッチングを施している。

第１反射鏡１１は、互いに異なる組成及び活性層１２Ｂからの出射光に対して互いに異なる屈折率を有する半導体層が交互に複数層積層された多層膜反射鏡である。第１反射鏡１１を構成する第１組成の半導体層Ａ１及び半導体層Ａ１とは異なる屈折率を有する第２組成の半導体層Ｂ１の層厚は、面発光レーザ１０の発振波長λの１/４を各層の屈折率ｎで除した値（λ/４ｎ）となるように設計され、第１反射鏡１１は、高反射のミラーとして形成されている。つまり、第１反射鏡１１は、半導体材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）、すなわち半導体ＤＢＲである。本実施例において、第１反射鏡１１は、ＳｉがドープされたＡｌＩｎＮ層Ａ１及びＳｉがドープされたＧａＮ層Ｂ１が交互に各４０層（４０ペア）積層されて形成されている。

半導体構造層１２は、ｎ型半導体層（第１半導体層）１２Ａ、活性層１２Ｂ、ｐ型半導体層（第２半導体層）１２Ｃからなる。半導体構造層１２は、例えば以下のように構成されている。ｎ型半導体層１２Ａは、Ｓｉをドープしたｎ−ＧａＮである。活性層１２Ｂは多重量子井戸層（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）であり、例えば障壁層としてのＧａＮ層と井戸層としてのＧａＩｎＮ層から構成されている。ｐ型半導体層１２ＣはＭｇドープしたｐ−ＧａＮ層からなる。なお、第１半導体層としてのｎ型半導体層１２Ａは、少なくとも１の半導体層から構成されていればよい。また、第２半導体層としてのｐ型半導体層１２Ｃについても、少なくとも１の半導体層から構成されていれば良い。例えばｐ型半導体層１２ＣはさらにＭｇドープＡｌＧａＮ電子障壁層を有していても良い。その場合、Ａｌ組成は０．１５以上０．２以下が好ましい。

第１反射鏡１１及び半導体構造層１２は、例えば有機金属気相成長法（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）により形成することができる。

ｐ型半導体層１２Ｃ上に、開口部１４Ａ（図２参照）を有する絶縁層１４が形成されている。開口部１４Ａにおいてｐ型半導体層１２Ｃが露出している。絶縁層１４上及び開口部１４Ａから露出したｐ型半導体層１２Ｃ上に、開口部１４Ａを覆うように透光性電極１５が形成されている。絶縁層１４は例えばＳｉＯ₂などの絶縁体からなり、透光性電極１５はＩＴＯやＩＺＯなどの透光性金属酸化物など、活性層１２Ｂからの放射光に対して透光性を有する透光性の膜からなる。

透光性電極１５上に、第２反射鏡１３が形成されている。第２反射鏡１３は、誘電体層Ａ２と、誘電体層Ａ２とは異なる屈折率を有する誘電体層Ｂ２とが交互に複数層積層されている。本実施例において第２反射鏡１３は誘電体材料からなる分布ブラッグ反射器、すなわち誘電体ＤＢＲであり、Ａｌ₂Ｏ₃層Ａ２とＮｂ₂Ｏ₅層Ｂ２とが交互に１０ペア積層されている。第２反射鏡１３は、他にＴｉＯ₂とＳｉＯ₂等の透光性絶縁体の組み合わせにより形成されていてもよい。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す第１反射鏡１１の破線で囲まれた部分Ｒを拡大して示す部分拡大図である。上記したように、第１反射鏡１１は、半導体層Ａ１と、半導体層Ｂ１とが交互に複数層積層されている。このうち活性層１２Ｂに近い方から少なくとも１層の半導体層Ａ１は、半導体層Ａ１を挟む半導体層Ｂ１の側壁よりも内側に窪んだ側壁ＲＳを有している。以下においては、側壁ＲＳを有する半導体層Ａ１を半導体層Ａ１Ｒとして説明する。すなわち、窪んだ半導体層Ａ１Ｒは半導体層Ａ１Ｒを挟む半導体層Ｂ１、すなわち半導体層Ａ１Ｒに隣接し、半導体層Ａ１Ｒを挟む上層の半導体層Ｂ１及び下層の半導体層Ｂ１の側壁よりも内側に窪んだ半導体層として形成されている。そして、側壁ＲＳの外側には間隙Ｇ１１が形成されている。なお、本実施例において、内側に窪んだ半導体層は、Ａｌ（アルミニウム）を含んでいる。

当該内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒは、例えばウェットエッチングにより形成できる。半導体層Ｂ１及び半導体構造層１２に対するエッチングレートよりも半導体層Ａ１に対するエッチングレートが高く、選択比の大きいエッチング液を用いることで、半導体層Ｂ１及び半導体構造層１２よりも内側に窪んだ側壁ＲＳが形成され、内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒを形成することができる。

上記したような選択比の大きいエッチング液による選択エッチングによって、窪んだ半導体層Ａ１Ｒを形成できる半導体層Ａ１として、例えば、Ａｌ（アルミニウム）を組成に含む窒化物半導体層が挙げられる。例えば、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ系半導体層（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）を用いて組成比を適宜調整すれば、組成にＡｌを含まないＧａＮ系半導体層に対するエッチング選択性を得ることができる。特にはＧａを含まないＡｌ_xＩＮ_yＮ（ｘ＋ｙ＝１）が好ましく、さらには０．１５≦ｘ≦０．２１５であることが好ましい。また、半導体層Ａ１よりも選択比の小さい半導体層として、組成にＡｌを含まない窒化物半導体層、例えば、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ系半導体層（０≦ｙ＜１）が挙げられる。

本実施例においては、窪んだ半導体層Ａ１Ｒは例えば次のように形成される。第１反射鏡１１上に半導体構造層１２を形成し、第１反射鏡１１のうち、窪んだ半導体層Ａ１Ｒを形成する部分までエッチングでメサ形成する。そして、第１反射鏡１１を構成するＡｌＩｎＮ層Ａ１及びＧａＮ層Ｂ１のうちＡｌＩｎＮ層Ａ１のみを熱硝酸を用いて選択的にエッチングすることにより、ＧａＮ層Ｂ１及び半導体構造層１２の側壁よりも内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒを形成することができる。その後サイドエッチングにより下地層１６が表出するメサ形成をする。したがって、本実施例において、内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒは、Ａｌを含んでいる。

活性層１２Ｂから放出される光は、第１反射鏡１１と第２反射鏡１３との間において、基板１７に対して垂直方向に反射を繰り返して共振状態に至り、レーザ発振を行う。レーザ光の一部は第２反射鏡１３あるいは第１反射鏡１１を透過して外部に取り出される。したがって、面発光レーザ１０は、基板１７に対して垂直な方向にレーザ光を出射する。

当該共振状態は、上記したように、第１反射鏡１１及び第２反射鏡１３が分布ブラッグ反射鏡を形成していることによって成立している。活性層１２Ｂから放出される放射光の波長に合わせて、当該放射光を反射するように第１反射鏡１１及び第２反射鏡１３を構成する各層の層厚が設計されているため、各層の各境界面からの反射波の位相が揃い、高い反射率が得られることによって共振状態が得られる。

一方で、図１（ｂ）に示すように、第１反射鏡１１において、光の経路内に、内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び間隙Ｇ１１が存在する。半導体層Ｂ１同士が間隙Ｇ１１によって隔てられている領域においては、半導体層Ｂ１の各界面からの反射波の位相が揃わず、高い反射率が得られないため、共振状態は得られない。したがって、活性層１２Ｂから放出された光は、窪んだ半導体層Ａ１Ｒと窪んだ半導体層Ａ１Ｒに挟まれた半導体層Ｂ１とが構成する領域ＣＲで反射する。

また、本実施例において、窪んだ半導体層Ａ１Ｒと半導体層Ａ１Ｒに挟まれた半導体層Ｂ１とが構成する領域ＣＲは、その外側の領域（間隙Ｇ１１を含む領域）よりも屈折率が高い。したがって、レーザ光は、当該領域ＣＲに導波される。換言すれば、当該領域ＣＲは光閉じ込め領域又は屈折率導波領域として機能する。なお、間隙１１は、空隙（空気が存在）あるいは半導体層Ａ１よりも低屈折率の材料などが充填されていてもよい。

したがって、本実施例において、レーザ光は、窪んだ半導体層Ａ１Ｒによって横モードが制御されて出射される。横モード制御された出射光は、効率良くレンズやファイバへ結合することができる。また、電流や温度などの駆動条件の変化に対して安定な横モードを維持することができる。

加えて、窪んだ半導体層Ａ１Ｒは、電流狭窄層としても機能する。本実施例において、第１反射鏡１１は不純物がドープされたｎ型半導体層からなる。よって、窪んだ半導体層Ａ１Ｒが存在する領域は、活性層１２Ｂからｎ電極１９へ向かって流れる電流の経路となっている。電流の経路は、内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒにおいて、狭くなり、電流は、窪んだ半導体層Ａ１Ｒと窪んだ半導体層Ａ１Ｒに挟まれた半導体層Ｂ１とが構成する領域ＣＲに集中する。すなわち、電流が狭窄される。

一方、ｐ側に設けられている絶縁層１４は開口部１４Ａを有しており（図２参照）、電流が開口部１４Ａを介してｐ型半導体層１２Ｃへ流れる電流狭窄層である。一方、半導体層Ａ１は低い電気抵抗を有しており、窪んだ半導体層Ａ１Ｒにおいても、良好な電流狭窄効果が得られる。窪んだ半導体層Ａ１Ｒの、積層方向に対して垂直な面内における面積を、開口部１４Ａの面積と同じか又は小さくすることにより、絶縁層１４による電流狭窄の効果を促進することができる。内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒによる電流狭窄構造を有していれば、開口部１４Ａの面積をより大きくしてもよく、絶縁層１４及び開口部１４Ａを設けなくてもよい。

なお、本実施例において、第１反射鏡１１の最上層が半導体層Ｂ１である場合について説明したが、第１反射鏡１１の最上層が窪んだ半導体層Ａ１Ｒであり、当該最上層の半導体層Ａ１Ｒが第１半導体層１２Ａに隣接していてもよい。

また、第１反射鏡１１の第１組成の半導体層のうち、第１半導体層１２Ａに近い側から順に第１〜第ｍのｍ個（ｍは自然数）の第１組成の半導体層が窪んだ半導体層Ａ１Ｒとして形成されていることが好ましい。しかし、少なくとも１の窪んだ半導体層Ａ１Ｒが、積層方向において第１反射鏡１１の上部（第１半導体層１２Ａ側）、中央部及び下部のいずれの位置に設けられた構成を有していてもよい。

また、本実施例において、第１反射鏡１１にｎ型半導体ＤＢＲを用いた場合について説明したが、各半導体層の導電型を反転させた構造としてもよい。すなわち、第１反射鏡１１として、ｐ型半導体ＤＢＲを採用した場合においても、第１反射鏡１１の内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒと窪んだ半導体層Ａ１Ｒに挟まれた半導体層Ｂ１とが積層された領域である光閉じ込め領域ＣＲにレーザ光が閉じ込められ、横モード制御された光が得られる。

本実施例のように第１反射鏡１１の第１半導体層１２Ａに近い側から順に少なくとも１層の窪んだ半導体層Ａ１Ｒ（電流狭窄構造）が設けられている場合、光の定在波強度が強い電流狭窄構造で光閉じ込めがなされるので、特に高い横モード制御性が得られる。

なお、本実施例においては、第１反射鏡１１、第１半導体層１２Ａ、活性層１２Ｂ、第２半導体層１２Ｃ、第２反射鏡１３からなる半導体積層体ＬＹは、積層方向すなわち半導体積層体ＬＹの半導体層に垂直な方向の軸を中心軸ＣＡとした回転対称形状を有している。回転対称形状としては、例えば楕円柱を含む円柱、角柱、正多角柱などが挙げられる。本実施例において、窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び絶縁層１４の開口部１４Ａも半導体積層体ＬＹと同軸の回転対称形状を有している。すなわち、半導体積層体ＬＹは円柱形状を有し、開口部１４Ａは円形状を有している。

なお、第１反射鏡１１、第１半導体層１２Ａ、活性層１２Ｂ、第２半導体層１２Ｃ、第２反射鏡１３からなる半導体積層体ＬＹは、必ずしも回転対称形状でなくともよい。
また、窪んだ半導体層Ａ１Ｒは、中心軸ＣＡに関して回転対称形状を有することが好ましいが、所望のビームプロファイル又は横モード制御に応じた形状を有していれば良い。

また、交互に積層されて第１反射鏡１１の半導体ＤＢＲを構成する半導体層Ａ１及び半導体層Ｂ１、交互に積層されて第２反射鏡１３の誘電体ＤＢＲを構成する誘電体層Ａ２及び誘電体層Ｂ２の各層数は、所望の反射率が得られるように適宜設計すればよい。特に、第１反射鏡１１については高い反射率及び急峻な反射特性が得られるように層数を決定することが望ましい。また、第１反射鏡１１を形成する半導体層Ａ１は、全てが内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒとして形成されていてもよい。

なお、本実施例においては電流狭窄構造が第１反射鏡１１に形成されているため別に電流狭窄層を設ける必要がない。

実施例１の第１反射鏡１１においては、半導体層Ｂ１に対して内側に窪んだ半導体層Ａ１を設けた場合について説明したが、第１組成の半導体層Ａ１及び第２組成の半導体層Ｂ１の両者が窪んだ半導体層として形成されていてもよい。本実施例では、半導体層Ａ１及び半導体層Ｂ１の両者が窪んだ半導体層として形成されている面発光レーザ２０について説明する。

図３は、面発光レーザ２０の積層方向の中心軸ＣＡを含む断面を示す断面図である。実施例１の面発光レーザ１０と同様に、活性層１２Ｂを含む半導体構造層１２を介して互いに対向して配置された第１反射鏡１１及び第２反射鏡１３を有する。第１反射鏡１１には、窪んだ半導体層Ａ１Ｒと、内側に窪んだ側壁ＲＳ２を有する半導体層Ｂ１Ｒとが各１層以上連続して交互に形成されている。すなわち、窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び窪んだ半導体層Ｂ１Ｒが連続して交互に形成された積層体は、当該積層体に隣接し、当該積層体を挟む下層及び上層の半導体層よりも内側に窪んだ半導体層として形成されている。当該積層体の下層の半導体層は、半導体層Ａ１でも半導体層Ｂ１でもよい。当該積層体の上層の半導体層は、半導体層Ａ１、半導体層Ｂ１、及び第１半導体層１２Ａのいずれであってもよい。

窪んだ半導体層Ｂ１Ｒは、窪んだ半導体層Ａ１Ｒを形成した後に、例えば半導体層Ａ１Ｒの形成に使用したものとは異なるエッチング液を用いて形成することができる。または、窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び窪んだ半導体層Ｂ１Ｒを、選択比が小さいエッチング液を用いて、半導体層Ａ１と半導体層Ｂ１の両方をエッチングすることにより形成してもよい。いずれの場合においても、第１反射鏡１１以外に、エッチングしない部分がある場合は、レジスト膜等により保護すればよい。

面発光レーザ２０において、活性層１２Ｂからの放射光は、窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び窪んだ半導体層Ｂ１Ｒからなる領域ＣＲで共振する。しかし、側壁ＲＳ及び側壁ＲＳ２の外側の間隙Ｇ２１においては共振しない。また、窪んだ半導体層Ａ１Ｒと窪んだ半導体層Ｂ１Ｒとが構成する領域ＣＲは、その外側の領域（間隙Ｇ２１を含む領域）よりも屈折率が高い。したがって、レーザ光は側壁ＲＳ及び側壁ＲＳ２に囲まれた領域、すなわち窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び窪んだ半導体層Ｂ１Ｒが構成する領域ＣＲに閉じ込められ、横モード制御された光が得られる。

図４（ａ）は、実施例３の面発光レーザ３０の積層方向の中心軸ＣＡを含む断面を示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の破線に囲まれた部分Ｒ２の拡大図である。面発光レーザ３０において、実施例１の面発光レーザ１０と同じ構造又は等価な構造を有する部分には同じ符号を付している。面発光レーザ３０は特に、面発光レーザ１０における半導体構造層１２に相当する半導体構造層３２の構成と、第１反射鏡３１が窪んだ半導体層Ａ１Ｒを有していない点が異なる。また、第１反射鏡３１の最上層と、半導体層１２Ａとの間に、例えばｎ−ＧａＮなどからなるｎ型半導体層３６が設けられている。

面発光レーザ３０は、活性層１２Ｂを含む半導体構造層３２を介して互いに対向して配された第１反射鏡３１及び第２反射鏡１３を有する。面発光レーザ３０の第１反射鏡３１、ｎ型半導体層３６、半導体構造層３２、絶縁層１４、透光性電極１５、第２反射鏡１３がこの順に、下地層１６上に形成されている。透光性電極１５上には、透光性電極１５に電気的に接続されたｐ電極１８が設けられ、ｎ型半導体層３６上には、ｎ型半導体層３６に電気的に接続されたｎ電極３９が設けられている。第１反射鏡３１は半導体ＤＢＲであり、本実施例において、ＡｌＩｎＮ層Ａ１及びＧａＮ層Ｂ１が４０ペア積層されて形成されている。

半導体構造層３２は、ｎ−ＧａＮ層であるｎ型半導体層１２Ａ、ＧａＩｎＮ層とＧａＮ層からなる多重量子井戸層である活性層１２Ｂ、ｐ−ＧａＮ層からなるｐ型半導体層１２Ｃから構成されている。図４（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層１２Ａは、ＧａＮからなるｎ型半導体層１２Ａ１、ＡｌＩｎＮからなるｎ型半導体層３２ＡＲ及びｎ型半導体層１２Ａ２がこの順で形成されている。ｎ型半導体層３２ＡＲは例えばＳｉがドープされたｎ−ＡｌＩｎＮからなり、ｎ型半導体層３２ＡＲの上層のｎ型半導体層１２Ａ２及び下層のｎ型半導体層１２Ａ１よりも内側に窪んだ側壁ＲＳ３を有する。

したがって、側壁ＲＳ３の外側に間隙Ｇ３２が形成されている。すなわち、ｎ型半導体層３２ＡＲは、ｎ型半導体層３２ＡＲに隣接し、ｎ型半導体層３２ＡＲを挟む下層のｎ型半導体層１２Ａ１及び上層のｎ型半導体層１２Ａ２よりも内側に窪んだ半導体層として形成されている。なお、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲは、ｎ型半導体層１２Ａ１及びｎ型半導体層１２Ａ２に挟まれていなくてもよく、ｎ型半導体層１２Ａの最上層又は最下層として形成されていてもよい。

内側に窪んだｎ型半導体層３２ＡＲは例えばウェットエッチングにより形成できる。上記したように、ｎ型半導体層３２ＡＲはｎ−ＡｌＩｎＮからなる。一方でｎ型半導体層１２Ａ１及びｎ型半導体層１２Ａ２、活性層１２Ｂ、ｐ型半導体層１２Ｃは組成にＡｌを含まないＧａＮ系半導体層である。したがって、ＧａＮ系材料に対して選択的にＡｌＩｎＮ系半導体をエッチングする熱硝酸などのエッチング液により、組成にＡｌを含まないＧａＮ系半導体層はエッチングされず、ｎ−ＡｌＩｎＮ層が選択的にエッチングされ、内側に窪んだｎ型半導体層３２ＡＲを形成することができる。

活性層１２Ｂから放出される光は、第１反射鏡３１と第２反射鏡１３との間において、基板１７に対して垂直な方向に反射を繰り返して共振状態に至り、レーザ発振を行う。レーザ光の一部は第２反射鏡１３を透過して外部に取り出される。当該共振状態は、上記したように、第１反射鏡１１及び第２反射鏡１３が分布ブラッグ反射鏡を形成していることによって成立している。

活性層１２Ｂから放出される光の経路内に、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲ及び間隙Ｇ３２が存在する。間隙Ｇ３２は窪んだｎ型半導体層３２ＡＲよりも低い屈折率を有している。したがって、レーザ光は、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲに導波され、横モード制御がなされる。横モード制御された出射光は、効率よくレンズやファイバへ結合することができる。また、電流や温度などの駆動条件の変化に対して安定な横モードを維持することができる。

図４（ｂ）に示すように、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲは、活性層１２Ｂと窪んだｎ型半導体層３２ＡＲとの層厚方向の距離Ｄが、λ/２ｎ_avのｋ倍（ｋは自然数）となる位置に形成されていることが望ましい。λは面発光レーザ３０の発振波長、ｎ_avは活性層１２Ｂと窪んだｎ型半導体層３２ＡＲとの間に形成された半導体層の平均屈折率である。距離Ｄは、活性層１２Ｂ及び窪んだｎ型半導体層３２ＡＲの層厚方向における中心位置間の距離（中心間距離）であることが好ましい。活性層１２Ｂからの放射光によって発生した定在波の腹を窪んだｎ型半導体層３２ＡＲに整合させることで、高い横モード制御効果を得ることができる。

また、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲは、電流狭窄層としても機能する。ｐ電極１８から注入された電流は、ｐ型半導体層１２Ｃ、活性層１２Ｂ、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲを含むｎ型半導体層１２Ａを経てｎ電極へ向かう。このとき、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲに電流が集中し、電流狭窄がなされる。

絶縁層１４は開口部１４Ａを有しており、電流が開口部１４Ａを介してｐ型半導体層１２Ｃへ流れる電流狭窄層である。一方、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲにおいても良好な電流狭窄効果が得られる。窪んだｎ型半導体層３２ＡＲの積層方向に対して垂直な面内における面積を、開口部１４Ａの面積よりも同じか又は小さくすることにより、開口部１４Ａによる電流狭窄の効果を促進することができる。また、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲによる電流狭窄構造を有していれば、開口部１４Ａの面積をより大きくしてもよく、絶縁層１４及び開口部１４Ａを設けなくてもよい。

上記においては、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲがｎ型半導体層１２Ａに形成されている場合について説明したが、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲはｐ型半導体層１２Ｃに形成されていてもよい。図５（ａ）は、面発光レーザ３０の変形例として、面発光レーザ４０の積層方向の中心軸ＣＡを含む断面を示す断面図である。

図５（ａ）に示すように、ｐ型半導体層１２Ｃは、ＧａＮからなるｐ型半導体層１２Ｃ１、ＡｌＩｎＮからなるｐ型半導体層４２ＡＲ及びｐ型半導体層１２Ｃ２がこの順で活性層１２Ｂ上に形成されている。ｐ型半導体層４２ＡＲは例えばＭｇがドープされたｐ−ＡｌＩｎＮからなり、ｐ型半導体層４２ＡＲの上層のｐ型半導体層１２Ｃ２及び下層のｐ型半導体層１２Ｃ１よりも内側に窪んだ側壁ＲＳ４を有する。

なお、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲ（図４（ａ））又は窪んだｐ型半導体層４２ＡＲ（図５（ａ））は、積層方向において不純物濃度が均一ではなく、不純物濃度分布を有するように形成されていることが好ましい。例えば、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲ又は窪んだｐ型半導体層４２ＡＲの上層又は下層との界面で高濃度となるようにドープされていることが好ましい。より詳細には、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲは、窪んだｎ型半導体層３２ＡＲの上層との界面又は下層との界面において、不純物濃度が高濃度となるようにドープされていることが好ましい。同様に、ｐ型半導体層４２ＡＲは、窪んだｐ型半導体層４２ＡＲの上層との界面又は下層との界面において、不純物濃度が高濃度となるようにドープされていることが好ましい。これにより、界面の電気抵抗を低減することができる。

面発光レーザ３０及び４０の第１反射鏡３１は、不純物ドープがされていなくてもよい。この場合、図４（ａ）や図５（ａ）に示すように、ｎ型半導体３６とｎ電極３９とを電気的に接続した構造とすればよい。このような構造において、第１反射鏡３１を構成する半導体層を成膜する際に、不純物をドープせず、より高い結晶性、平坦性を確保でき、より高い反射率を得ることができる。

実施例１と実施例３は組み合わせても良い。図５（ｂ）に示すように、第１反射鏡内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒを有し、半導体構造層３２に内側に窪んだｎ型半導体層３２ＡＲをさらに有する構造としてもよい。

実施例１乃至３において、第２反射鏡に誘電体ＤＢＲを用いた場合について説明したが、第２反射鏡にも半導体ＤＢＲを採用することができる。図６に、第１反射鏡、第２反射鏡の両方を半導体ＤＢＲとした、実施例４の面発光レーザ５０の積層方向の中心軸ＣＡを含む断面を示す断面図を示す。第１反射鏡１１、半導体構造層１２は実施例１（図１（ａ））の面発光レーザ１０と同じ構造であり、内側に窪んだ側壁ＲＳを有する半導体層Ａ１Ｒが設けられている。半導体構造層１２上に、第２反射鏡５３、透光性電極２５、ｐ電極１８が形成されている。

第２反射鏡５３は、半導体層Ａ３と、半導体層Ａ３とは異なる屈折率を有する半導体層Ｂ３とが交互に積層された半導体ＤＢＲであり、内側に窪んだ側壁ＲＳ５を有する半導体層Ａ３Ｒを有し、側壁ＲＳ５の外側に間隙Ｇ５３を有している。半導体層Ａ３は例えばｐ−ＡｌＩｎＮからなり、半導体層Ｂ３は例えばｐ−ＧａＮからなる。

本実施例において、活性層１２Ｂからの出射光は、窪んだ半導体層Ａ１Ｒと窪んだ半導体層Ａ１Ｒに挟まれた半導体層Ｂ１とが構成する領域ＣＲ及び窪んだ半導体層Ａ３Ｒと窪んだ半導体層Ａ３Ｒに挟まれた半導体層Ｂ３とが構成する領域ＣＲ２に導波され、横モード制御され安定したレーザ光が得られる。この場合、窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び窪んだ半導体層Ａ３Ｒは積層方向の軸を中心軸ＣＡとした回転対称形状を有し、中心軸ＣＡと同軸に形成されていることが好ましい。

より詳細には、第１反射鏡１１、第１半導体層１２Ａ、活性層１２Ｂ、第２半導体層１２Ｃ、第２反射鏡５３からなる半導体積層体ＬＹ２は、積層方向すなわち半導体積層体ＬＹ２の半導体層に垂直な方向の軸を中心軸ＣＡとした回転対称形状を有している。また、窪んだ半導体層Ａ１Ｒ及び窪んだ半導体層Ａ３Ｒは、半導体積層体ＬＹ２と同軸に形成されている。本実施例において、半導体積層体ＬＹ２は円柱形状を有している。

本実施例において、第１反射鏡１１及び第２反射鏡５３のうちいずれか一方は、内側に窪んだ半導体層を有していなくても良い。内側に窪んだ半導体層Ａ１Ｒ又は内側に窪んだ半導体層Ａ３Ｒのうち少なくとも１を有していればよい。

上記した実施例１乃至４は、適宜組み合わせても良い。例えば、実施例３と実施例４の組み合わせとして、第１反射鏡及び第２反射鏡の両者が半導体ＤＢＲであり、窪んだ半導体層Ａ１Ｒ又は窪んだ半導体層Ａ３Ｒ、及び窪んだｎ型半導体層３２ＡＲを有していてもよい。

上記したように、第１反射鏡、第２反射鏡、第１半導体層、活性層及び第２半導体層からなる半導体積層体は、積層方向の軸を中心軸とする回転対称形状を有している場合について説明したが、必ずしも回転対称形状を有していなくともよい。また、上記した実施例１乃至４において、窪んだ半導体層は当該半導体積層体と同軸の回転対称形状を有する場合について説明したが、必ずしも回転対称形状を有していなくともよい。窪んだ半導体層は、所望のビームプロファイル又は横モード制御に応じた形状を有していれば良い。

以上、詳細に説明したように、本願発明の垂直共振器型発光素子によれば、反射鏡を構成する半導体ＤＢＲ又は第１半導体層若しくは第２半導体層に、内側に窪んだ半導体層を設けることにより、レーザ光が窪んだ半導体層を含む領域に導波され、横モードが制御された光を取り出すことができる。また、同時に電流狭窄が行われ、発振特性に優れた信頼性の高い共振器を得ることができる。したがって、横モード制御特性に優れ、レンズやファイバへの結合効率が高く、発振特性、安定性、信頼性に優れた垂直共振器型発光素子を提供することができる。

１０、２０、３０、４０、５０ 面発光レーザ
１１、３１ 第１反射鏡
Ａ１ 第１反射鏡の第１組成の層
Ｂ１ 第１反射鏡の第２組成の層
ＲＳ、ＲＳ２、ＲＳ３ 内側に窪んだ側壁
Ａ１Ｒ、Ｂ１Ｒ、３２ＡＲ、Ａ３Ｒ 内側に窪んだ半導体層
Ｇ１１、Ｇ２１、Ｇ３２ 間隙
１２、３２、４２ 半導体構造層
１２Ａ ｎ型半導体層
１２Ｂ 活性層
１２Ｃ ｐ型半導体層
１３、５３ 第２反射鏡
１４ 絶縁層
１５、２５ 透光性電極
１６ 下地層
１７ 基板
１８ ｐ電極
１９、３９ ｎ電極

Claims (12)

1. 半導体ＤＢＲ層からなる第１反射鏡と、
   前記第１反射鏡上に形成され、少なくとも１の半導体層からなる第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成され、前記第1半導体層と反対の導電型を有する少なくとも１の半導体層からなる第２半導体層と、
   前記第２半導体層上に形成された透光性電極と、
   前記透光性電極上に前記第１反射鏡に対向して配された第２反射鏡と、を有し、
   前記第１反射鏡、前記第１半導体層及び前記第２半導体層のうち少なくとも１は、隣接する上層及び下層の半導体層の側壁よりも内側に窪んだＡｌを含む半導体層を有する垂直共振器型発光素子。
2. 前記半導体ＤＢＲ層は互いに組成の異なる第１組成及び第２組成の半導体層が交互に積層されて構成され、少なくとも１の前記第１組成の半導体層が前記窪んだ半導体層である請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
3. 連続した前記第１組成及び前記第２組成の半導体層が前記窪んだ半導体層である請求項２に記載の垂直共振器型発光素子。
4. 前記活性層の発光波長をλ、前記窪んだ半導体層及び前記活性層間の半導体層の平均屈折率をｎとしたとき、前記窪んだ半導体層及び前記活性層間の層厚方向の距離が、λ/２ｎのｋ倍（ｋは自然数）である請求項１乃至３のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
5. 前記窪んだ半導体層は前記第１半導体層及び前記第２半導体層の少なくとも１に設けられ、積層方向に不純物濃度分布を有するように不純物がドープされている請求項１乃至４のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
6. 前記第１反射鏡、前記第２反射鏡、前記第１半導体層、前記活性層及び前記第２半導体層からなる半導体積層体は、積層方向の軸を中心軸とする回転対称形状を有し、前記窪んだ半導体層は前記半導体積層体と同軸の回転対称形状を有する請求項１乃至５のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
7. 前記半導体積層体は楕円柱を含む円柱形状を有する請求項１乃至６のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
8. 半導体ＤＢＲ層からなる第１反射鏡と、
   前記第１反射鏡上に形成され、少なくとも１の半導体層からなる第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成され、前記第1半導体層と反対の導電型を有する少なくとも１の半導体層からなる第２半導体層と、
   前記第２半導体層上に前記第１反射鏡に対向して配された半導体ＤＢＲからなる第２反射鏡と、
   前記第２反射鏡上に形成された電極と、を有し、
   前記第１反射鏡、前記第２反射鏡、前記第１半導体層及び前記第２半導体層のうち少なくとも１は、隣接する上層及び下層の半導体層の側壁よりも内側に窪んだＡｌを含む半導体層を有する垂直共振器型発光素子。
9. 前記半導体ＤＢＲ層は互いに組成の異なる前記第１組成及び前記第２組成の半導体層が交互に積層されて構成され、少なくとも１の前記第１組成の半導体層が前記窪んだ半導体層である請求項８に記載の垂直共振器型発光素子。
10. 連続した前記第１組成及び前記第２組成の半導体層が前記窪んだ半導体層である請求項９に記載の垂直共振器型発光素子。
11. 前記第１反射鏡、前記第２反射鏡、前記第１半導体層、前記活性層及び前記第２半導体層からなる半導体積層体は、積層方向の軸を中心軸とする回転対称形状を有し、前記窪んだ半導体層は前記半導体積層体と同軸の回転対称形状を有する請求項８乃至１０のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
12. 前記半導体積層体は楕円柱を含む円柱形状を有する請求項８乃至１１に記載の垂直共振器型発光素子。

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