JP7614488B2 - 垂直共振器面発光レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、垂直共振器面発光レーザ素子及びその製造方法に関する。
従来から、窒化物半導体を用いて、垂直共振器面発光レーザとして機能するレーザ素子の研究が進められており、反射鏡として半導体多層膜を用いることなどが提案されている。特許文献１には、（２０－２１）面のＧａＮを主面として有する発光素子が記載されている。特許文献２には、半導体基板の半極性面上にＡｌＩｎＮ層及びＧａＮ層を積層した反射鏡を有する半導体発光素子が記載されている。
しかし、半極性面等を主面とする基板上に形成された、半導体多層膜として用いられる窒化物半導体の結晶面によっては、光反射膜の反射率が設計通りに得られない場合がある。
本開示は、以下の発明を含む。
〔１〕第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層とは組成の異なる第２窒化物半導体層とを含み、前記第１窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ１であり、以下の式（１）で表される厚みＬ１を有し、かつ前記第２窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ２であり、以下の式（２）で表される厚みＬ２を有する、第１光反射膜と、
前記第１光反射膜の上に配置され、活性層を有する窒化物半導体の積層体と、
前記積層体の上方に配置された第２光反射膜とを備える垂直共振器面発光レーザ素子。
Ｌ１＝λｃ／（４・ｎ１） （１）
Ｌ２＝λｃ／（４・ｎ２） （２）
〔２〕基板の上に、第１光反射膜を成長させ、
該第１光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、
該積層体の上に、第２光反射膜を成長させることを含む垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法であって、
前記第１光反射膜を、
第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層とは組成の異なる第２窒化物半導体層とを含む、２種以上の単結晶の窒化物半導体層の積層により形成し、
前記第１窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ１であり、以下の式（１）で表される厚みＬ１を有し、かつ前記第２窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ２であり、以下の式（２）で表される厚みＬ２を有する膜とする垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
Ｌ１＝λｃ／（４・ｎ１） （１）
Ｌ２＝λｃ／（４・ｎ２） （２）
（式中、λｃは共振波長を示す。）
〔１〕第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層とは組成の異なる第２窒化物半導体層とを含み、前記第１窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ１であり、以下の式（１）で表される厚みＬ１を有し、かつ前記第２窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ２であり、以下の式（２）で表される厚みＬ２を有する、第１光反射膜と、
前記第１光反射膜の上に配置され、活性層を有する窒化物半導体の積層体と、
前記積層体の上方に配置された第２光反射膜とを備える垂直共振器面発光レーザ素子。
Ｌ１＝λｃ／（４・ｎ１） （１）
Ｌ２＝λｃ／（４・ｎ２） （２）
〔２〕基板の上に、第１光反射膜を成長させ、
該第１光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、
該積層体の上に、第２光反射膜を成長させることを含む垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法であって、
前記第１光反射膜を、
第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層とは組成の異なる第２窒化物半導体層とを含む、２種以上の単結晶の窒化物半導体層の積層により形成し、
前記第１窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ１であり、以下の式（１）で表される厚みＬ１を有し、かつ前記第２窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ２であり、以下の式（２）で表される厚みＬ２を有する膜とする垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
Ｌ１＝λｃ／（４・ｎ１） （１）
Ｌ２＝λｃ／（４・ｎ２） （２）
（式中、λｃは共振波長を示す。）
本開示の一態様によれば、より反射率が向上した光反射膜を備えた垂直共振器面発光レーザ素子及びその製造方法を提供することができる。
以下、本開示の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。各図面が示す部材の大きさ、厚み、位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。数値範囲を示す場合、「～」の両側の値は含まれるものとする。
〔垂直共振器面発光レーザ素子８〕
本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子８は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、第１光反射膜１０と、活性層を有する窒化物半導体の積層体３と、第２光反射膜６とを備える。第１光反射膜１０は、第１窒化物半導体層１１と、第１窒化物半導体層１１とは組成の異なる第２窒化物半導体層１２とを含む窒化物半導体多層膜からなる。第１窒化物半導体層１１は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、第１の偏光方向に対する屈折率がｎ１であり、以下の式（１）で表される厚みＬ１を有する。第２窒化物半導体層１２は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、第１の偏光方向に対する屈折率がｎ２であり、以下の式（２）で表される厚みＬ２を有する。ここで主面に入射する光とは、具体的には活性層から放出される光を指す。窒化物半導体の積層体３は、第１光反射膜１０の上に配置されている。第２光反射膜６は、積層体３の上方に配置されている。
Ｌ１＝λｃ／（４・ｎ１） （１）
Ｌ２＝λｃ／（４・ｎ２） （２）
窒化物半導体層を活性層に有するレーザ素子は、成長させる面を極性面とした場合、ピエゾ電界が生じることで閾値電流の上昇が懸念される。一方で、極性面ではなく半極性面もしくは非極性面の基板上に形成される窒化物半導体の積層体は、このようなピエゾ電界の発生を抑制し、閾値電流をより低減することができる。
しかし、第１光反射膜を構成する窒化物半導体多層膜では、極性面においては屈折率に異方性がないが、半極性面及び非極性面においては屈折率の異方性がある。そのため、第１光反射膜に用いる窒化物半導体多層膜を特定の偏光方向の光に対する屈折率を用いて設計することにより、第１光反射膜の反射率を向上させることができる。その結果、閾値電流を低減することが可能となる。また、窒化物半導体多層膜の屈折率に合わせて反射膜を設計することにより、反射帯域、つまり、反射率が安定して高い範囲を広くすることができる。その結果、製造時のずれに対する許容度を向上することができ、垂直共振器面発光レーザ素子の歩留まりを向上させることが可能となる。
本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子８は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、第１光反射膜１０と、活性層を有する窒化物半導体の積層体３と、第２光反射膜６とを備える。第１光反射膜１０は、第１窒化物半導体層１１と、第１窒化物半導体層１１とは組成の異なる第２窒化物半導体層１２とを含む窒化物半導体多層膜からなる。第１窒化物半導体層１１は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、第１の偏光方向に対する屈折率がｎ１であり、以下の式（１）で表される厚みＬ１を有する。第２窒化物半導体層１２は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、第１の偏光方向に対する屈折率がｎ２であり、以下の式（２）で表される厚みＬ２を有する。ここで主面に入射する光とは、具体的には活性層から放出される光を指す。窒化物半導体の積層体３は、第１光反射膜１０の上に配置されている。第２光反射膜６は、積層体３の上方に配置されている。
Ｌ１＝λｃ／（４・ｎ１） （１）
Ｌ２＝λｃ／（４・ｎ２） （２）
窒化物半導体層を活性層に有するレーザ素子は、成長させる面を極性面とした場合、ピエゾ電界が生じることで閾値電流の上昇が懸念される。一方で、極性面ではなく半極性面もしくは非極性面の基板上に形成される窒化物半導体の積層体は、このようなピエゾ電界の発生を抑制し、閾値電流をより低減することができる。
しかし、第１光反射膜を構成する窒化物半導体多層膜では、極性面においては屈折率に異方性がないが、半極性面及び非極性面においては屈折率の異方性がある。そのため、第１光反射膜に用いる窒化物半導体多層膜を特定の偏光方向の光に対する屈折率を用いて設計することにより、第１光反射膜の反射率を向上させることができる。その結果、閾値電流を低減することが可能となる。また、窒化物半導体多層膜の屈折率に合わせて反射膜を設計することにより、反射帯域、つまり、反射率が安定して高い範囲を広くすることができる。その結果、製造時のずれに対する許容度を向上することができ、垂直共振器面発光レーザ素子の歩留まりを向上させることが可能となる。
（第１光反射膜１０）
第１光反射膜１０は、図１Ａに示すように、第１窒化物半導体層１１と、第１窒化物半導体層１１と組成の異なる第２窒化物半導体層１２とを含む窒化物半導体多層膜からなる。第１窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層は、単結晶の窒化物半導体層であることが好ましい。窒化物半導体層が単結晶である場合、第１光反射膜１０上に形成する窒化物半導体の積層体３をより良質な結晶とすることができる傾向がある。
第１窒化物半導体層１１は、主面１１ａに入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。この第１窒化物半導体層１１は、上述した式（１）で表される厚みＬ１を有する。式（１）において、第１の偏光方向に対する第１窒化物半導体層１１の屈折率はｎ１で表されている。
第２窒化物半導体層１２は、主面１２ａに入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。この第２窒化物半導体層１２は、上述した式（２）で表される厚みＬ２を有する。式（２）において、第１の偏光方向に対する第２窒化物半導体層１２の屈折率はｎ２で表されている。
例えば、第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２は、ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ等によって形成することができる。第１窒化物半導体層１１にＡｌＩｎＮ層を用いる場合、ＡｌＸ１ＩｎＹ１Ｎは、０．１≦Ｘ１≦０．２５、０．７５≦Ｙ１≦０．９であってよく、０．１４≦Ｘ１≦０．２１、０．７９≦Ｙ１≦０．８６であることが好ましい。ＡｌＩｎＮ層の組成が上述の範囲であると、転位やクラックの発生をより効果的に抑制できる傾向がある。また、屈折率差と構成整合の観点から、なかでも、第１窒化物半導体層１１がＡｌＩｎＮ層、第２窒化物半導体層１２がＧａＮ層であることが好ましい。そして、上述したように複数の屈折率を有するために、これらの窒化物半導体層の主面、つまり光入射面が、半極性面又は非極性面であることが挙げられる。具体的には、｛１０－１０｝面、｛１０－１２｝面、｛１０－１１｝面、｛１１－２０｝面、｛２０－２１｝面、｛１１－２２｝面、｛１１－２３｝面、｛１１－２６｝面、｛１０－１－１｝面、｛３０－３１｝面、｛３０－３－１｝面等が挙げられる。また、これらの面に対して０～３°程度のオフ角を有するものであってもよい。なかでも、これらの窒化物半導体層の主面は｛２０－２１｝面であることが好ましい。｛２０－２１｝面を主面とする窒化物半導体層とする場合、他の半極性面を主面とする場合に比べて、結晶性成長させやすく、発光素子におけるピエゾ分極をより抑制できる傾向がある。
また、第１の偏光方向及び第２の偏光方向とは、特に限定されるものではなく、第１の偏光方向と第２の偏光方向とが異なっていればよい。例えば、第１の偏光方向を六方晶におけるａ軸偏光方向とする場合、第２の偏光方向はｃ軸偏光方向とすることができる。これらは逆でもよい。
具体的には、第１の偏光方向及び第２の偏光方向としては、［－１２－１０］軸方向、［－１１－１０］軸方向、［－１０１４］軸方向、［－１０１２］軸方向、［－１０１１］軸方向、［－１１－２６］軸方向、［１１－２－３］軸方向、［－１１－２２］軸方向、［０００１］軸方向、［１－１００］軸方向等が挙げられる。例えば第２の偏光方向は第１の偏光方向に対して垂直な方向とすることが挙げられる。特に、第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２の主面が（１０－１０）面（ｍ面、非極性面）であり、第１の偏光方向が［１－２１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（１０－１２）面（ｒ面、半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（１１－２２）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［１－１００］軸（ｍ軸）方向であるか、主面が（１０－１１）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（２０－２－１）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（２０－２１）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］方向であることが好ましい。
第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２の主面と第１偏光方向について、上記のような組み合わせを採用する場合には、第１偏光方向の光は積層体の界面の散乱損失が少なくなる傾向があるため、第1偏光方向に対する屈折率を用いて反射膜を設計することで閾値電流を低減することができる。
具体的には、主面が（２０－２１）面であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸方向、第２の偏光方向が［－１０１４］軸方向であることが好ましい。
第１光反射膜１０は、図１Ａに示すように、第１窒化物半導体層１１と、第１窒化物半導体層１１と組成の異なる第２窒化物半導体層１２とを含む窒化物半導体多層膜からなる。第１窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層は、単結晶の窒化物半導体層であることが好ましい。窒化物半導体層が単結晶である場合、第１光反射膜１０上に形成する窒化物半導体の積層体３をより良質な結晶とすることができる傾向がある。
第１窒化物半導体層１１は、主面１１ａに入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。この第１窒化物半導体層１１は、上述した式（１）で表される厚みＬ１を有する。式（１）において、第１の偏光方向に対する第１窒化物半導体層１１の屈折率はｎ１で表されている。
第２窒化物半導体層１２は、主面１２ａに入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。この第２窒化物半導体層１２は、上述した式（２）で表される厚みＬ２を有する。式（２）において、第１の偏光方向に対する第２窒化物半導体層１２の屈折率はｎ２で表されている。
例えば、第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２は、ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ等によって形成することができる。第１窒化物半導体層１１にＡｌＩｎＮ層を用いる場合、ＡｌＸ１ＩｎＹ１Ｎは、０．１≦Ｘ１≦０．２５、０．７５≦Ｙ１≦０．９であってよく、０．１４≦Ｘ１≦０．２１、０．７９≦Ｙ１≦０．８６であることが好ましい。ＡｌＩｎＮ層の組成が上述の範囲であると、転位やクラックの発生をより効果的に抑制できる傾向がある。また、屈折率差と構成整合の観点から、なかでも、第１窒化物半導体層１１がＡｌＩｎＮ層、第２窒化物半導体層１２がＧａＮ層であることが好ましい。そして、上述したように複数の屈折率を有するために、これらの窒化物半導体層の主面、つまり光入射面が、半極性面又は非極性面であることが挙げられる。具体的には、｛１０－１０｝面、｛１０－１２｝面、｛１０－１１｝面、｛１１－２０｝面、｛２０－２１｝面、｛１１－２２｝面、｛１１－２３｝面、｛１１－２６｝面、｛１０－１－１｝面、｛３０－３１｝面、｛３０－３－１｝面等が挙げられる。また、これらの面に対して０～３°程度のオフ角を有するものであってもよい。なかでも、これらの窒化物半導体層の主面は｛２０－２１｝面であることが好ましい。｛２０－２１｝面を主面とする窒化物半導体層とする場合、他の半極性面を主面とする場合に比べて、結晶性成長させやすく、発光素子におけるピエゾ分極をより抑制できる傾向がある。
また、第１の偏光方向及び第２の偏光方向とは、特に限定されるものではなく、第１の偏光方向と第２の偏光方向とが異なっていればよい。例えば、第１の偏光方向を六方晶におけるａ軸偏光方向とする場合、第２の偏光方向はｃ軸偏光方向とすることができる。これらは逆でもよい。
具体的には、第１の偏光方向及び第２の偏光方向としては、［－１２－１０］軸方向、［－１１－１０］軸方向、［－１０１４］軸方向、［－１０１２］軸方向、［－１０１１］軸方向、［－１１－２６］軸方向、［１１－２－３］軸方向、［－１１－２２］軸方向、［０００１］軸方向、［１－１００］軸方向等が挙げられる。例えば第２の偏光方向は第１の偏光方向に対して垂直な方向とすることが挙げられる。特に、第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２の主面が（１０－１０）面（ｍ面、非極性面）であり、第１の偏光方向が［１－２１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（１０－１２）面（ｒ面、半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（１１－２２）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［１－１００］軸（ｍ軸）方向であるか、主面が（１０－１１）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（２０－２－１）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸（ａ軸）方向であるか、主面が（２０－２１）面（半極性面）であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］方向であることが好ましい。
第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２の主面と第１偏光方向について、上記のような組み合わせを採用する場合には、第１偏光方向の光は積層体の界面の散乱損失が少なくなる傾向があるため、第1偏光方向に対する屈折率を用いて反射膜を設計することで閾値電流を低減することができる。
具体的には、主面が（２０－２１）面であり、第１の偏光方向が［－１２－１０］軸方向、第２の偏光方向が［－１０１４］軸方向であることが好ましい。
ここで、結晶構造について、軸方向に関する個別方位は［］、個別面は（）、集合面は｛｝でそれぞれ示し、また、指数の前にマイナスを付すことによって、その指数が負であることを示している。
第１窒化物半導体層１１は、主面１１ａに入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。言い換えると、第１窒化物半導体層１１は、主面１１ａに入射する光に対して、偏光方向の違いによって複数の屈折率を有する。第２窒化物半導体層１２は、主面１２ａに入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。言い換えると、第２窒化物半導体層１２は、主面１２ａに入射する光に対して、偏光方向の違いによって複数の屈折率を有する。
例えば、第１窒化物半導体層１１が主面を（２０－２１）面とするＡｌ０．８Ｉｎ０．２Ｎ層であり、第１の偏光方向を［－１２－１０］軸方向とした場合、第１の偏光方向の光に対する屈折率は、例えば、波長４００ｎｍ～８００ｎｍにおいて、２．５６～２．３２となる。
また、第２窒化物半導体層１２が主面を（２０－２１）面とするＧａＮ層であり、第１の偏光方向を［－１２－１０］軸方向とした場合、第１の偏光方向の光に対する屈折率は、例えば、波長４００ｎｍ～８００ｎｍにおいて、２．２６～２．１６となる。
第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２はそれぞれが一定の厚みで繰り返し交互に積層されたものであってよい。
ここで、レーザ素子の共振波長λｃとは、共振器長Ｌｃから以下の式（３）によって求められる値である。
λｃ＝２ｎｃ・Ｌｃ／ｍ （３）
式中、ｎは共振器の実効屈折率、ｍは共振器の中に何波長分の光が含まれるかを数値で表したものである。
本実施形態では、第２光反射膜の積層体側の端部から第１光反射膜の積層体側の端部までの長さを共振器長とし、その共振器長Ｌｃは８４０ｎｍであるが、この共振器長は、後述する窒化物半導体の積層体及びｐ側電極等の厚みによって適宜設定される。
例えば、第１窒化物半導体層１１が主面を（２０－２１）面とするＡｌ０．８Ｉｎ０．２Ｎ層であり、第１の偏光方向を［－１２－１０］軸方向とした場合、第１の偏光方向の光に対する屈折率は、例えば、波長４００ｎｍ～８００ｎｍにおいて、２．５６～２．３２となる。
また、第２窒化物半導体層１２が主面を（２０－２１）面とするＧａＮ層であり、第１の偏光方向を［－１２－１０］軸方向とした場合、第１の偏光方向の光に対する屈折率は、例えば、波長４００ｎｍ～８００ｎｍにおいて、２．２６～２．１６となる。
第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２はそれぞれが一定の厚みで繰り返し交互に積層されたものであってよい。
ここで、レーザ素子の共振波長λｃとは、共振器長Ｌｃから以下の式（３）によって求められる値である。
λｃ＝２ｎｃ・Ｌｃ／ｍ （３）
式中、ｎは共振器の実効屈折率、ｍは共振器の中に何波長分の光が含まれるかを数値で表したものである。
本実施形態では、第２光反射膜の積層体側の端部から第１光反射膜の積層体側の端部までの長さを共振器長とし、その共振器長Ｌｃは８４０ｎｍであるが、この共振器長は、後述する窒化物半導体の積層体及びｐ側電極等の厚みによって適宜設定される。
（窒化物半導体の積層体３）
窒化物半導体の積層体３は、第１光反射膜１０を構成する窒化物半導体多層膜の上面に配置されていることが好ましい。また、窒化物半導体の積層体３は、活性層３ａを有する。具体的には、図１Ｂに示すように、窒化物半導体の積層体３は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側半導体層３ｎ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる活性層３ａ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側半導体層３ｐが、第１光反射膜１０側からこの順に積層されて構成されていることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮが挙げられる。
この中でも特に活性層３ａはＩｎＧａＮ井戸層を含むことが好ましい。ＩｎＧａＮ井戸層を活性層に有する半導体発光素子の利得は、［－１２－１０］方向の偏光成分の割合が他の偏光成分と比べて多い傾向があるため、［－１２－１０］方向に対する屈折率を用いて第１光反射膜１０を設計することで、反射率をより高くすることができ、閾値電流を低減することができる。
ｎ側半導体層３ｎは、活性層３ａと第１光反射膜１０との間に配置されていることが好ましい。ｎ側半導体層３ｎは、単層又は多層であり、アンドープの層を有していてもよく、ｎ型不純物、例えば、Ｓｉ等をドープしたｎ型層を１層以上有する。活性層３ａは、例えば、ＩｎＧａＮよりなる量子井戸層と、ＧａＮよりなる障壁層とを交互に積層した積層構造である。積層数は所望の特性により適宜設定することができる。ｐ側半導体層３ｐは、ｐ側光スペーサ層と、その上に配置されたｐ側コンタクト層を有することができる。ｐ側コンタクト層は、ｐ型不純物、例えば、Ｍｇ等がドープされた層である。ｐ側光スペーサ層は、ｐ型不純物を、ｐ側コンタクト層よりもｐ型不純物を低濃度でドープした層又はアンドープの層とすることができる。この場合、ｐ側コンタクト層はｐ側半導体層３ｐの最上層とする。
ｎ側半導体層３ｎ、活性層３ａ及びｐ側半導体層３ｐの各厚みは、適宜設定することができる。第１光反射膜１０の上面から後述する第２光反射膜６の下面までの全厚みをλｃ／（２ｎ）の整数倍とし、その間に定在波が生じるように設定する。そして、定在波の最も強い部分が活性層３ａに、定在波の最も弱い部分が、後述する透光性のｐ側電極４に位置するように配置する。
ｐ側半導体層３ｐは、その上面がｐ側電極４に接触するものが挙げられる。特に、ｐ側半導体層３ｐは、活性層３ａと後述する第２光反射膜６との間に配置されていることが好ましい。
窒化物半導体の積層体３は、第１光反射膜１０を構成する窒化物半導体多層膜の上面に配置されていることが好ましい。また、窒化物半導体の積層体３は、活性層３ａを有する。具体的には、図１Ｂに示すように、窒化物半導体の積層体３は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側半導体層３ｎ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる活性層３ａ、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側半導体層３ｐが、第１光反射膜１０側からこの順に積層されて構成されていることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮが挙げられる。
この中でも特に活性層３ａはＩｎＧａＮ井戸層を含むことが好ましい。ＩｎＧａＮ井戸層を活性層に有する半導体発光素子の利得は、［－１２－１０］方向の偏光成分の割合が他の偏光成分と比べて多い傾向があるため、［－１２－１０］方向に対する屈折率を用いて第１光反射膜１０を設計することで、反射率をより高くすることができ、閾値電流を低減することができる。
ｎ側半導体層３ｎは、活性層３ａと第１光反射膜１０との間に配置されていることが好ましい。ｎ側半導体層３ｎは、単層又は多層であり、アンドープの層を有していてもよく、ｎ型不純物、例えば、Ｓｉ等をドープしたｎ型層を１層以上有する。活性層３ａは、例えば、ＩｎＧａＮよりなる量子井戸層と、ＧａＮよりなる障壁層とを交互に積層した積層構造である。積層数は所望の特性により適宜設定することができる。ｐ側半導体層３ｐは、ｐ側光スペーサ層と、その上に配置されたｐ側コンタクト層を有することができる。ｐ側コンタクト層は、ｐ型不純物、例えば、Ｍｇ等がドープされた層である。ｐ側光スペーサ層は、ｐ型不純物を、ｐ側コンタクト層よりもｐ型不純物を低濃度でドープした層又はアンドープの層とすることができる。この場合、ｐ側コンタクト層はｐ側半導体層３ｐの最上層とする。
ｎ側半導体層３ｎ、活性層３ａ及びｐ側半導体層３ｐの各厚みは、適宜設定することができる。第１光反射膜１０の上面から後述する第２光反射膜６の下面までの全厚みをλｃ／（２ｎ）の整数倍とし、その間に定在波が生じるように設定する。そして、定在波の最も強い部分が活性層３ａに、定在波の最も弱い部分が、後述する透光性のｐ側電極４に位置するように配置する。
ｐ側半導体層３ｐは、その上面がｐ側電極４に接触するものが挙げられる。特に、ｐ側半導体層３ｐは、活性層３ａと後述する第２光反射膜６との間に配置されていることが好ましい。
窒化物半導体層の積層体３は、ｐ側半導体層３ｐの上面に凸部３ｘを有する。この凸部３ｘの上面が電流注入領域として機能する。電流注入領域の直下が発光部となる。凸部３ｘの平面視形状は、円形、楕円形、多角形等の形状が挙げられ、なかでも円形であるものが好ましい。凸部３ｘの上面の大きさは、例えば、直径又は一辺の長さが２μｍ～１２μｍが挙げられる。
窒化物半導体層の積層体３は、凸部３ｘの周囲の表面、つまりｐ側半導体層３ｐの側において、ｐ側半導体層３ｐ、活性層３ａ及びｎ側半導体層３ｎの一部が厚み方向に除去されて、ｎ側半導体層３ｎが一部露出していることが好ましい。これにより、レーザ素子に電流を供給するｐ側電極４及びｎ側電極５ｎを積層体３の同一面側に配置することができる。
（第２光反射膜６）
第２光反射膜６は、窒化物半導体層の積層体３の表面に凸部３ｘが形成されている場合には、例えば、図１Ｂに示すように、凸部３ｘの上面から凸部３ｘの周囲の表面の少なくとも一部に配置することができる。また、凸部が形成されていない場合には、窒化物半導体層の積層体３の一部を露出する絶縁膜を形成し、その露出した窒化物半導体層の積層体３の上方を覆うように第２光反射膜６を形成してもよい。
第２光反射膜６は、上述した第１光反射膜１０と同様の構成としてもよいし、例えば、誘電体多層膜を含む構成としてもよい。誘電体多層膜としては、例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。各層の厚さはλｃ／（４ｎ）である。第２光反射膜６の積層数及び厚みは、誘電体多層膜の組み合わせにより適宜設定することができる。具体的には、第２光反射膜６を、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５等によって構成する場合、各層は、４０ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。積層膜の積層数は、２層以上が挙げられ、例えば５層～２０層とすることができる。第２光反射膜６の全体の厚みは、例えば、０．０８μｍ～２．０μｍが挙げられ、０．６μｍ～１．７μｍとすることができる。
第２光反射膜６は、窒化物半導体層の積層体３の表面に凸部３ｘが形成されている場合には、例えば、図１Ｂに示すように、凸部３ｘの上面から凸部３ｘの周囲の表面の少なくとも一部に配置することができる。また、凸部が形成されていない場合には、窒化物半導体層の積層体３の一部を露出する絶縁膜を形成し、その露出した窒化物半導体層の積層体３の上方を覆うように第２光反射膜６を形成してもよい。
第２光反射膜６は、上述した第１光反射膜１０と同様の構成としてもよいし、例えば、誘電体多層膜を含む構成としてもよい。誘電体多層膜としては、例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。各層の厚さはλｃ／（４ｎ）である。第２光反射膜６の積層数及び厚みは、誘電体多層膜の組み合わせにより適宜設定することができる。具体的には、第２光反射膜６を、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５等によって構成する場合、各層は、４０ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。積層膜の積層数は、２層以上が挙げられ、例えば５層～２０層とすることができる。第２光反射膜６の全体の厚みは、例えば、０．０８μｍ～２．０μｍが挙げられ、０．６μｍ～１．７μｍとすることができる。
本開示の垂直共振器面発光レーザ素子は、さらに、基板１６、下地層９、ｐ側電極４、ｎ側電極５ｎ、絶縁膜７を備えることができる。
このような垂直共振器面発光レーザ素子８は、また、接合層１３及び金属膜１５を有する放熱基板１７に接合され、基板１６側を発光面とするように構成されていることが好ましい。これにより、第２光反射膜６側を発光面とする場合より、より高い光出力を得られる場合がある。
このような垂直共振器面発光レーザ素子８は、また、接合層１３及び金属膜１５を有する放熱基板１７に接合され、基板１６側を発光面とするように構成されていることが好ましい。これにより、第２光反射膜６側を発光面とする場合より、より高い光出力を得られる場合がある。
（基板１６及び下地層９）
第１光反射膜１０は、基板１６の上方に設けられていてもよい。いいかえると、基板１６は第１光反射膜１０の下方に設けられていてよい。また、第１光反射膜１０は、基板１６の上に、任意に下地層９を介して形成されていることが好ましい。下地層９を介して第１光反射膜１０を形成することにより、より平坦な層とすることができる。基板１６としては、垂直共振器面発光レーザ素子を構成し得る基板であれば、当該分野で公知のものを利用することができる。
例えば、半導体層成長用の基板、具体的には、窒化物半導体（ＧａＮ等）、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等の基板が挙げられる。なかでも、窒化物半導体が好ましく、ＧａＮ基板がより好ましい。半導体成長用基板としてＧａＮ基板を用いることで、より転位の少ない半導体反射鏡とすることができる。また、下地層９は、これらの基板１６及び第１光反射膜１０との格子整合を考慮して選択することができ、例えば、ＧａＮ層が好ましい。
第１光反射膜１０は、基板１６の上方に設けられていてもよい。いいかえると、基板１６は第１光反射膜１０の下方に設けられていてよい。また、第１光反射膜１０は、基板１６の上に、任意に下地層９を介して形成されていることが好ましい。下地層９を介して第１光反射膜１０を形成することにより、より平坦な層とすることができる。基板１６としては、垂直共振器面発光レーザ素子を構成し得る基板であれば、当該分野で公知のものを利用することができる。
例えば、半導体層成長用の基板、具体的には、窒化物半導体（ＧａＮ等）、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等の基板が挙げられる。なかでも、窒化物半導体が好ましく、ＧａＮ基板がより好ましい。半導体成長用基板としてＧａＮ基板を用いることで、より転位の少ない半導体反射鏡とすることができる。また、下地層９は、これらの基板１６及び第１光反射膜１０との格子整合を考慮して選択することができ、例えば、ＧａＮ層が好ましい。
基板１６又は下地層９は、第１窒化物半導体層１１を成長させる面が極性面以外の面であるものが挙げられ、例えば、｛１０－１０｝面、｛１０－１２｝面、｛１０－１１｝面、｛１１－２２｝面、｛２０－２１｝面、｛２０－２-１｝面、｛１１－２-２｝面、｛１１－２３｝面、｛１１－２６｝面、｛１０－１－１｝面、｛３０－３１｝面、｛３０－３－１｝面等が挙げられる。なかでも、基板１６又は下地層９は、第１窒化物半導体層１１を成長させる面がＧａＮの｛２０－２１｝面であるものが好ましい。また、これらの面に対して０～３°程度のオフ角を有するものであってもよい。｛２０－２１｝面の基板を採用することにより、この上に成長する第１窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層の主面が｛２０－２１｝面となりやすい。そして、このような面では、例えば、屈折率に異方性がある、つまり、入射する光に対して、互いに異なる第１の偏光方向と第２の偏光方向とで、異なる複数の屈折率を有するため、いずれかの屈折率に合わせて第１光反射膜を設計することができる。これにより、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、反射帯域をより広くすることができる。その結果、製造時のずれ等に対する許容度を向上することができ、歩留まりを向上させることができる。また、第１光反射膜の反射率の向上が可能となり、閾値電流を低減することが可能となる。
下地層９は、任意の厚みに設定することができる。例えば、１００ｎｍ～３０００ｎｍが挙げられる。また、下地層９には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、結晶性の点からはアンドープのものが好ましい。
下地層９は、任意の厚みに設定することができる。例えば、１００ｎｍ～３０００ｎｍが挙げられる。また、下地層９には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、結晶性の点からはアンドープのものが好ましい。
（ｐ側電極４）
ｐ側電極４は、窒化物半導体の積層体におけるｐ側半導体層３ｐの凸部３ｘから電流を注入するための電極であり、少なくとも凸部３ｘの上面に接触している電極である。ｐ側電極４は、凸部３ｘの側面まで延長していてもよいし、凸部３ｘの周囲のｐ側半導体層３ｐの上面にまで延長していてもよい。
ｐ側電極４は、レーザ発振する波長域に対して透光性の材料から形成される導電部材である。透光性の材料としては、ＩＴＯ（インジウム－錫酸化物）、ＩＺＯ（インジウム－亜鉛酸化物）等を母材とする透明導電材料が挙げられる。具体的にはＩＴＯが挙げられる。厚みは薄いほうが、ｐ側電極４による光吸収を低減することができる一方、抵抗が上昇するため、これらのバランスを考慮して適宜調整することができる。ｐ側電極４の厚みは、例えば、５ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。
ｐ側電極４は、窒化物半導体の積層体におけるｐ側半導体層３ｐの凸部３ｘから電流を注入するための電極であり、少なくとも凸部３ｘの上面に接触している電極である。ｐ側電極４は、凸部３ｘの側面まで延長していてもよいし、凸部３ｘの周囲のｐ側半導体層３ｐの上面にまで延長していてもよい。
ｐ側電極４は、レーザ発振する波長域に対して透光性の材料から形成される導電部材である。透光性の材料としては、ＩＴＯ（インジウム－錫酸化物）、ＩＺＯ（インジウム－亜鉛酸化物）等を母材とする透明導電材料が挙げられる。具体的にはＩＴＯが挙げられる。厚みは薄いほうが、ｐ側電極４による光吸収を低減することができる一方、抵抗が上昇するため、これらのバランスを考慮して適宜調整することができる。ｐ側電極４の厚みは、例えば、５ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。
（絶縁膜７）
絶縁膜７は、凸部３ｘの上面と離間して配置される。絶縁膜７は、少なくともｐ側半導体層３ｐの凸部３ｘの周囲の表面の一部を被覆する。絶縁膜７は、ｐ側半導体層３ｐのみならず、活性層３ａの側面と、露出したｎ側半導体層３ｎの上面の一部を被覆してもよいし、さらに積層体３の側面を被覆してもよい。
絶縁膜７は、ＳｉＯ2、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３等の無機材料等によって形成することができる。
絶縁膜７は、凸部３ｘの上面と離間して配置される。絶縁膜７は、少なくともｐ側半導体層３ｐの凸部３ｘの周囲の表面の一部を被覆する。絶縁膜７は、ｐ側半導体層３ｐのみならず、活性層３ａの側面と、露出したｎ側半導体層３ｎの上面の一部を被覆してもよいし、さらに積層体３の側面を被覆してもよい。
絶縁膜７は、ＳｉＯ2、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３等の無機材料等によって形成することができる。
（ｎ側電極５ｎ、ｐパッド電極５ｐ）
垂直共振器面発光レーザ素子８は、さらに、露出したｎ側半導体層３ｎに電気的に接続されたｎ側電極５ｎが配置されていることが好ましい。
ｐ側半導体層３ｐの上に形成された透光性のｐ側電極４に加えて、ｐ側電極４に電気的に接続されたｐパッド電極５ｐが配置されていてもよい。
これらｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐは、当該分野において通常電極として用いられる導電性材料のいずれによって形成してもよい。例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｈ／Ａｕ等が挙げられる。
ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐは、同じ又は異なる材料にて単層構造で形成されていてもよいし、同じ材料によって、同じ積層構造で形成されていてもよいし、異なる材料で異なる積層構造で形成されていてもよい。ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐを同じ材料によって同じ積層構造で形成する場合、ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐを同一工程で形成することができる。
垂直共振器面発光レーザ素子８は、さらに、露出したｎ側半導体層３ｎに電気的に接続されたｎ側電極５ｎが配置されていることが好ましい。
ｐ側半導体層３ｐの上に形成された透光性のｐ側電極４に加えて、ｐ側電極４に電気的に接続されたｐパッド電極５ｐが配置されていてもよい。
これらｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐは、当該分野において通常電極として用いられる導電性材料のいずれによって形成してもよい。例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｈ／Ａｕ等が挙げられる。
ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐは、同じ又は異なる材料にて単層構造で形成されていてもよいし、同じ材料によって、同じ積層構造で形成されていてもよいし、異なる材料で異なる積層構造で形成されていてもよい。ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐを同じ材料によって同じ積層構造で形成する場合、ｎ側電極５ｎ及びｐパッド電極５ｐを同一工程で形成することができる。
（放熱基板１７）
垂直共振器面発光レーザ素子８は、図２に示すように、放熱基板１７に接合されていてもよい。放熱基板１７としては、ＡｌＮ等のセラミックス、ＳｉＣ等の半導体を含む半導体基板、金属単体基板又は２種以上の金属の複合体からなる金属基板等が挙げられる。例えば、絶縁性のＡｌＮセラミックスを母材とし、その表面に複数の金属膜１５が形成された基板を放熱基板１７として用いることができる。金属膜１５は、それぞれ、ｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎと電気的に接続される。放熱基板１７の厚みは、例えば、５０μｍ～５００μｍ程度が挙げられる。
放熱基板１７の形成方法は、当該分野で通常使用される方法を利用することができる。
接合層１３は、例えば、上述したｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎ等と同様の材料のほか、半田等を用いることができる。
金属膜１５は、上述したｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎ等と同様の材料によって形成することができる。
垂直共振器面発光レーザ素子８は、図２に示すように、放熱基板１７に接合されていてもよい。放熱基板１７としては、ＡｌＮ等のセラミックス、ＳｉＣ等の半導体を含む半導体基板、金属単体基板又は２種以上の金属の複合体からなる金属基板等が挙げられる。例えば、絶縁性のＡｌＮセラミックスを母材とし、その表面に複数の金属膜１５が形成された基板を放熱基板１７として用いることができる。金属膜１５は、それぞれ、ｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎと電気的に接続される。放熱基板１７の厚みは、例えば、５０μｍ～５００μｍ程度が挙げられる。
放熱基板１７の形成方法は、当該分野で通常使用される方法を利用することができる。
接合層１３は、例えば、上述したｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎ等と同様の材料のほか、半田等を用いることができる。
金属膜１５は、上述したｐパッド電極５ｐ及びｎ側電極５ｎ等と同様の材料によって形成することができる。
（反射防止膜１４）
垂直共振器面発光レーザ素子８は、第１光反射膜１０側からレーザ光が出射されるが、第１光反射膜１０の積層体３とは反対側の面、つまり、基板１６の積層体３とは反対側の面に、反射防止膜１４を配置していてもよい。反射防止膜１４としては、上述した第２光反射膜６で例示した誘電体多層膜と同様の材料を用いることができる。積層数や各層の厚みを光反射膜とは異なるものとすることで反射防止機能を有する膜を形成することができる。例えば、ＳｉＯ2／Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3等が挙げられる。その厚みは、例えば、０．１μｍ～１μｍが挙げられる。
垂直共振器面発光レーザ素子８は、第１光反射膜１０側からレーザ光が出射されるが、第１光反射膜１０の積層体３とは反対側の面、つまり、基板１６の積層体３とは反対側の面に、反射防止膜１４を配置していてもよい。反射防止膜１４としては、上述した第２光反射膜６で例示した誘電体多層膜と同様の材料を用いることができる。積層数や各層の厚みを光反射膜とは異なるものとすることで反射防止機能を有する膜を形成することができる。例えば、ＳｉＯ2／Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3等が挙げられる。その厚みは、例えば、０．１μｍ～１μｍが挙げられる。
〔垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法〕
本開示の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法においては、基板の上に、第１光反射膜を成長させ、第１光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、積層体の上に、第２光反射膜を成長させることを含む。
（第１光反射膜１０の成長）
第１光反射膜１０は、第１窒化物半導体層１１を成長させる工程と、第２窒化物半導体層１２を成長させる工程とを有する。これら第１窒化物半導体層１１を成長させる工程及び第２窒化物半導体層１２を成長させる工程は、交互に繰り返し行う。上述したように、第１光反射膜１０は、例えば、基板１６又は下地層９の直上に、第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２のいずれが形成されてもよい。例えば、第１窒化物半導体層１１が、第１光反射膜１０における最下層となる場合には、基板１６又は下地層９の上に第１窒化物半導体層１１を成長させ、その上に、第２窒化物半導体層１２を成長させることが好ましい。また、それよりも上の層では、第１窒化物半導体層１１の上に成長した第２窒化物半導体層１２上に、第１窒化物半導体層１１を成長させることが好ましい。あるいは、第２窒化物半導体層１２が、第１光反射膜１０における最下層となる場合には、基板１６又は下地層９の上に第２窒化物半導体層１２を成長させ、その上に、第１窒化物半導体層１１を成長させることが好ましい。また、それよりも上の層では、第２窒化物半導体層１２の上に成長した第１窒化物半導体層１１上に、第２窒化物半導体層１２を成長させることが好ましい。第１窒化物半導体層１１を成長させる工程と、第２窒化物半導体層１２を成長させる工程との交互の繰り返しは、用いる材料、目的とする性能等によって、任意にその回数を設定することができる。例えば、交互の繰り返しは、５回～１００回行うことが挙げられ、２０回～８０回が好ましく、３０回～７０回がより好ましい。言い換えると、第１窒化物半導体層１１と第２窒化物半導体層１２とのペアを、それぞれ５ペア～１００ペアとすることが好ましく、２０ペア～８０ペアとすることがより好ましく、３０ペア～７０ペアとすることがさらに好ましい。この範囲内のペア数とすることにより、制御性を保ちながら、より反射率を高くすることができる。これにより、窒化物半導体多層膜を形成して、第１光反射膜１０を形成することができる。
本開示の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法においては、基板の上に、第１光反射膜を成長させ、第１光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、積層体の上に、第２光反射膜を成長させることを含む。
（第１光反射膜１０の成長）
第１光反射膜１０は、第１窒化物半導体層１１を成長させる工程と、第２窒化物半導体層１２を成長させる工程とを有する。これら第１窒化物半導体層１１を成長させる工程及び第２窒化物半導体層１２を成長させる工程は、交互に繰り返し行う。上述したように、第１光反射膜１０は、例えば、基板１６又は下地層９の直上に、第１窒化物半導体層１１及び第２窒化物半導体層１２のいずれが形成されてもよい。例えば、第１窒化物半導体層１１が、第１光反射膜１０における最下層となる場合には、基板１６又は下地層９の上に第１窒化物半導体層１１を成長させ、その上に、第２窒化物半導体層１２を成長させることが好ましい。また、それよりも上の層では、第１窒化物半導体層１１の上に成長した第２窒化物半導体層１２上に、第１窒化物半導体層１１を成長させることが好ましい。あるいは、第２窒化物半導体層１２が、第１光反射膜１０における最下層となる場合には、基板１６又は下地層９の上に第２窒化物半導体層１２を成長させ、その上に、第１窒化物半導体層１１を成長させることが好ましい。また、それよりも上の層では、第２窒化物半導体層１２の上に成長した第１窒化物半導体層１１上に、第２窒化物半導体層１２を成長させることが好ましい。第１窒化物半導体層１１を成長させる工程と、第２窒化物半導体層１２を成長させる工程との交互の繰り返しは、用いる材料、目的とする性能等によって、任意にその回数を設定することができる。例えば、交互の繰り返しは、５回～１００回行うことが挙げられ、２０回～８０回が好ましく、３０回～７０回がより好ましい。言い換えると、第１窒化物半導体層１１と第２窒化物半導体層１２とのペアを、それぞれ５ペア～１００ペアとすることが好ましく、２０ペア～８０ペアとすることがより好ましく、３０ペア～７０ペアとすることがさらに好ましい。この範囲内のペア数とすることにより、制御性を保ちながら、より反射率を高くすることができる。これにより、窒化物半導体多層膜を形成して、第１光反射膜１０を形成することができる。
（第１窒化物半導体層１１を成長させる工程）
第１窒化物半導体層１１は、例えば、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる層として形成することができる。このような半導体としては、ＡｌＸ２ＩｎＹ２Ｇａ１－Ｘ２－Ｙ２Ｎ（０＜Ｘ２、０＜Ｙ２、Ｘ２＋Ｙ２≦１）が挙げられ、具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等が挙げられる。なかでも、ＡｌＩｎＮ層が好ましい。
第１窒化物半導体層１１は、当該分野で公知の方法、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）等によって成長させることができる。なかでも、厚みの制御のしやすさや成長時間の点からＭＯＣＶＤ法が好ましい。いずれの方法を利用する場合においても、第１窒化物半導体層１１は常圧で成長させてもよいが、減圧して成長させてもよい。
例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に、任意に下地層９が形成された基板１６をセットし、基板温度を、例えば、７００℃～１０５０℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガスとを反応炉内に流す。これにより、例えば、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１窒化物半導体層１１を形成することができる。キャリアガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。原料ガスとしては、例えば、窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。アルミニウム源ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）等のトリアルキルアルミニウム、塩化アルミニウム等が挙げられ、インジウム源ガスとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）等のトリアルキルインジウム等が挙げられる。窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。なお、ＡｌＩｎＧａＮを成長させる際には、ガリウム源ガスを導入してもよい。また、第１窒化物半導体層１１の形成において、第１窒化物半導体層１１を成長させる表面が、基板又は下地層（例えば、ＧａＮ）の（２０－２１）面であることが好ましい。
第１窒化物半導体層１１の厚みＬ１は、上述したように、式（１）によって算出することができ、それに基づいて設定することができる。例えば、３０ｎｍ～８０ｎｍが挙げられる。また、第１窒化物半導体層１１には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、結晶性及び反射率の点からはアンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がＳｉである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。
第１窒化物半導体層１１は、例えば、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる層として形成することができる。このような半導体としては、ＡｌＸ２ＩｎＹ２Ｇａ１－Ｘ２－Ｙ２Ｎ（０＜Ｘ２、０＜Ｙ２、Ｘ２＋Ｙ２≦１）が挙げられ、具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等が挙げられる。なかでも、ＡｌＩｎＮ層が好ましい。
第１窒化物半導体層１１は、当該分野で公知の方法、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）等によって成長させることができる。なかでも、厚みの制御のしやすさや成長時間の点からＭＯＣＶＤ法が好ましい。いずれの方法を利用する場合においても、第１窒化物半導体層１１は常圧で成長させてもよいが、減圧して成長させてもよい。
例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に、任意に下地層９が形成された基板１６をセットし、基板温度を、例えば、７００℃～１０５０℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガスとを反応炉内に流す。これにより、例えば、アルミニウム及びインジウムを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１窒化物半導体層１１を形成することができる。キャリアガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。原料ガスとしては、例えば、窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。アルミニウム源ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）等のトリアルキルアルミニウム、塩化アルミニウム等が挙げられ、インジウム源ガスとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）等のトリアルキルインジウム等が挙げられる。窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。なお、ＡｌＩｎＧａＮを成長させる際には、ガリウム源ガスを導入してもよい。また、第１窒化物半導体層１１の形成において、第１窒化物半導体層１１を成長させる表面が、基板又は下地層（例えば、ＧａＮ）の（２０－２１）面であることが好ましい。
第１窒化物半導体層１１の厚みＬ１は、上述したように、式（１）によって算出することができ、それに基づいて設定することができる。例えば、３０ｎｍ～８０ｎｍが挙げられる。また、第１窒化物半導体層１１には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、結晶性及び反射率の点からはアンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がＳｉである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。
なお、第１窒化物半導体層１１は、第２窒化物半導体層１２が形成された基板１６上に形成してもよい。
（第２窒化物半導体層１２を成長させる工程）
第２窒化物半導体層１２は、例えば、ＧａＮからなる層として形成することができる。第２窒化物半導体層１２を成長させる工程は、第１窒化物半導体層１１を成長させる工程と同様に行うことができる。
例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に、任意に下地層９が形成された基板１６をセットする。この基板１６は、上述した第１窒化物半導体層１１が下地層９の上に形成されているものが好ましい。その後、基板温度を、例えば、７００℃～１０５０℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガス（ＴＥＧ及びアンモニア）とを反応炉内に流す。キャリアガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。原料ガスとしては、例えば、ガリウムの原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）等のトリアルキルガリウム等が挙げられる。窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。これにより、例えば、ＧａＮからなる第２窒化物半導体層１２を形成することができる。第２窒化物半導体層１２の成長速度は、成長中、変動してもよいが、一定であることが好ましい。
ここでの第２窒化物半導体層１２の厚みＬ２は、上述したように、式（２）によって算出することができ、それに基づいて設定することができる。例えば、３０ｎｍ～８０ｎｍが挙げられる。従って、第１光反射膜１０を構成する窒化物半導体多層膜の総厚みは、例えば、５００ｎｍ～１００００ｎｍが挙げられ、２０００ｎｍ～８０００ｎｍが好ましく、３０００ｎｍ～７０００ｎｍがより好ましい。また、第２窒化物半導体層１２には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、アンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がＳｉである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。
第２窒化物半導体層１２は、例えば、ＧａＮからなる層として形成することができる。第２窒化物半導体層１２を成長させる工程は、第１窒化物半導体層１１を成長させる工程と同様に行うことができる。
例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に、任意に下地層９が形成された基板１６をセットする。この基板１６は、上述した第１窒化物半導体層１１が下地層９の上に形成されているものが好ましい。その後、基板温度を、例えば、７００℃～１０５０℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガス（ＴＥＧ及びアンモニア）とを反応炉内に流す。キャリアガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。原料ガスとしては、例えば、ガリウムの原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）等のトリアルキルガリウム等が挙げられる。窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。これにより、例えば、ＧａＮからなる第２窒化物半導体層１２を形成することができる。第２窒化物半導体層１２の成長速度は、成長中、変動してもよいが、一定であることが好ましい。
ここでの第２窒化物半導体層１２の厚みＬ２は、上述したように、式（２）によって算出することができ、それに基づいて設定することができる。例えば、３０ｎｍ～８０ｎｍが挙げられる。従って、第１光反射膜１０を構成する窒化物半導体多層膜の総厚みは、例えば、５００ｎｍ～１００００ｎｍが挙げられ、２０００ｎｍ～８０００ｎｍが好ましく、３０００ｎｍ～７０００ｎｍがより好ましい。また、第２窒化物半導体層１２には、ｎ型不純物をドーピングすることができるが、アンドープのものが好ましい。例えば、ｎ型不純物がＳｉである場合、ｎ型不純物濃度は、０．５～１０×１０１８ｃｍ－３とすることができる。
（窒化物半導体の積層体の成長）
第１光反射膜１０の上面に、活性層３ａを有する窒化物半導体の積層体３を形成する。
窒化物半導体層の積層体３では、第１光反射膜１０側から、ｎ側半導体層３ｎ、活性層３ａ、ｐ側半導体層３ｐをこの順に形成することが好ましい。窒化物半導体層の積層体３は、当該分野で公知の方法を利用して形成することができる。
窒化物半導体層の積層体３は、その表面、つまり、第１光反射膜１０が配置された側とは反対側の表面に、凸部３ｘを形成してもよい。凸部３ｘは、フォトリソグラフィ及びエッチング等を利用して、形成することができる。
第１光反射膜１０の上面に、活性層３ａを有する窒化物半導体の積層体３を形成する。
窒化物半導体層の積層体３では、第１光反射膜１０側から、ｎ側半導体層３ｎ、活性層３ａ、ｐ側半導体層３ｐをこの順に形成することが好ましい。窒化物半導体層の積層体３は、当該分野で公知の方法を利用して形成することができる。
窒化物半導体層の積層体３は、その表面、つまり、第１光反射膜１０が配置された側とは反対側の表面に、凸部３ｘを形成してもよい。凸部３ｘは、フォトリソグラフィ及びエッチング等を利用して、形成することができる。
（第２光反射膜の形成）
第２光反射膜６は、窒化物半導体層の積層体３の表面に凸部３ｘが形成されている場合には、例えば、図１Ｂに示すように、凸部３ｘの上面から凸部３ｘの周囲の表面の少なくとも一部に配置することができる。また、凸部３ｘが形成されていない場合には、窒化物半導体層の積層体３の一部を露出する絶縁膜を形成し、その露出した窒化物半導体層の積層体３の上方を覆うように第２光反射膜６を形成することができる。
第２光反射膜６は、上述した第１光反射膜１０と同様の構成としてもよいし、例えば、誘電体多層膜を含んだ構成としてもよい。誘電体多層膜としては、例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。各層の厚さはλｃ／４ｎである。第２光反射膜６の積層数や厚みは、誘電体多層膜の組み合わせにより適宜設定することができる。具体的には、第２光反射膜６を、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５等によって構成する場合、各層は、４０ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。積層膜の積層数は、２層以上が挙げられ、例えば５層～２０層とすることができる。第２光反射膜６の全体の厚みは、例えば、０．０８μｍ～２．０μｍが挙げられ、０．６μｍ～１．７μｍとすることができる。
第２光反射膜６は、窒化物半導体層の積層体３の表面に凸部３ｘが形成されている場合には、例えば、図１Ｂに示すように、凸部３ｘの上面から凸部３ｘの周囲の表面の少なくとも一部に配置することができる。また、凸部３ｘが形成されていない場合には、窒化物半導体層の積層体３の一部を露出する絶縁膜を形成し、その露出した窒化物半導体層の積層体３の上方を覆うように第２光反射膜６を形成することができる。
第２光反射膜６は、上述した第１光反射膜１０と同様の構成としてもよいし、例えば、誘電体多層膜を含んだ構成としてもよい。誘電体多層膜としては、例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。各層の厚さはλｃ／４ｎである。第２光反射膜６の積層数や厚みは、誘電体多層膜の組み合わせにより適宜設定することができる。具体的には、第２光反射膜６を、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５等によって構成する場合、各層は、４０ｎｍ～１００ｎｍが挙げられる。積層膜の積層数は、２層以上が挙げられ、例えば５層～２０層とすることができる。第２光反射膜６の全体の厚みは、例えば、０．０８μｍ～２．０μｍが挙げられ、０．６μｍ～１．７μｍとすることができる。
試験例１
主面が（２０－２１）面である基板１６の上に下地層９としてＧａＮ層を形成し、その上に第１光反射膜１０とを形成した。
第１光反射膜１０は、上述した式（１）及び式（２）から、波長５００ｎｍの［－１２－１０］方向の偏光に対して厚みを設計し、第１窒化物半導体層１１としてＡｌ０．８Ｉｎ０．２Ｎ層（厚み：５６．７ｎｍ、ｎ１＝２．２０４９）、第２窒化物半導体層としてＧａＮ層（厚み：５２．１ｎｍ、ｎ２＝２．４０１５）を５０ペア積層した多層膜とした。
作製した第１光反射膜について、それぞれの偏光に対して分光光度計で反射スペクトルを測定した。結果を図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ｂに示すように、第１光反射膜は４９９ｎｍから５０５ｎｍ付近の［－１２－１０］方向の偏光に対して９８％以上の反射率を示し、特に５０４ｎｍ付近の［－１２－１０］方向の偏光に対して９９％以上の反射率を示すことが確認された。
主面が（２０－２１）面である基板１６の上に下地層９としてＧａＮ層を形成し、その上に第１光反射膜１０とを形成した。
第１光反射膜１０は、上述した式（１）及び式（２）から、波長５００ｎｍの［－１２－１０］方向の偏光に対して厚みを設計し、第１窒化物半導体層１１としてＡｌ０．８Ｉｎ０．２Ｎ層（厚み：５６．７ｎｍ、ｎ１＝２．２０４９）、第２窒化物半導体層としてＧａＮ層（厚み：５２．１ｎｍ、ｎ２＝２．４０１５）を５０ペア積層した多層膜とした。
作製した第１光反射膜について、それぞれの偏光に対して分光光度計で反射スペクトルを測定した。結果を図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ｂに示すように、第１光反射膜は４９９ｎｍから５０５ｎｍ付近の［－１２－１０］方向の偏光に対して９８％以上の反射率を示し、特に５０４ｎｍ付近の［－１２－１０］方向の偏光に対して９９％以上の反射率を示すことが確認された。
３ 積層体
３ａ 活性層
３ｎ ｎ側半導体層
３ｐ ｐ側半導体層
３ｘ 凸部
４ ｐ側電極
５ｎ ｎ側電極
５ｐ ｐパッド電極
６ 第２光反射膜
７ 絶縁膜
８ 垂直共振器面発光レーザ素子
９ 下地層
１０ 第１光反射膜
１１ 第１窒化物半導体層
１１ａ 主面
１２ 第２窒化物半導体層
１２ａ 主面
１３ 接合層
１４ 反射防止膜
１５ 金属膜
１６ 基板
１７ 放熱基板
３ａ 活性層
３ｎ ｎ側半導体層
３ｐ ｐ側半導体層
３ｘ 凸部
４ ｐ側電極
５ｎ ｎ側電極
５ｐ ｐパッド電極
６ 第２光反射膜
７ 絶縁膜
８ 垂直共振器面発光レーザ素子
９ 下地層
１０ 第１光反射膜
１１ 第１窒化物半導体層
１１ａ 主面
１２ 第２窒化物半導体層
１２ａ 主面
１３ 接合層
１４ 反射防止膜
１５ 金属膜
１６ 基板
１７ 放熱基板
Claims (8)
- 第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層とは組成の異なる第２窒化物半導体層とを含み、前記第１窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ1であり、以下の式（１）で表される厚みＬ1を有し、かつ前記第２窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ2であり、以下の式（２）で表される厚みＬ2を有する、第１光反射膜と、
前記第１光反射膜の上に配置され、活性層を有する窒化物半導体の積層体と、
前記積層体の上方に配置された第２光反射膜とを備える垂直共振器面発光レーザ素子。
Ｌ1＝λc／（４・ｎ1） （１）
Ｌ2＝λc／（４・ｎ2） （２）
（式中、λcは共振波長を示す。） - 前記第１窒化物半導体層及び前記第２窒化物半導体層は、主面が（２０－２１）面であり、前記第１の偏光方向が［－１２－１０］方向であり、前記第２の偏光方向が［－１２－１０］方向以外の偏光方向であり、
前記第１光反射膜の下方に設けられた基板を備え、前記基板の主面が（２０－２１）面である請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。 - 前記第１窒化物半導体層がＡｌＩｎＮ層、前記第２窒化物半導体層がＧａＮ層である請求項１又は２に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
- 共振波長における前記第１の偏光方向の光に対する前記第１光反射膜の反射率が、９８％以上である請求項３に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
- 前記窒化物半導体の積層体は、前記活性層と前記第１光反射膜との間に配置されたｎ側半導体層と、前記活性層と前記第２光反射膜との間に配置されたｐ側半導体層とを有する請求項１～４のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
- 前記第２光反射膜は、誘電体多層膜を含む請求項１～５のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
- 前記第１窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層とは、交互に繰り返し積層されており、繰り返しの回数は、３０回以上７０回以下である請求項１～６のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
- 基板の上に、第１光反射膜を成長させ、
該第１光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、
該積層体の上に、第２光反射膜を成長させることを含む垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法であって、
前記第１光反射膜を、
第１窒化物半導体層と、該第１窒化物半導体層とは組成の異なる第２窒化物半導体層とを含む、２種以上の単結晶の窒化物半導体層の積層により形成し、
前記第１窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第１の偏光方向と第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ1であり、以下の式（１）で表される厚みＬ1を有し、かつ前記第２窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第１の偏光方向に対する屈折率がｎ2であり、以下の式（２）で表される厚みＬ2を有する膜とする垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
Ｌ1＝λc／（４・ｎ1） （１）
Ｌ2＝λc／（４・ｎ2） （２）
（式中、λcは共振波長を示す。）
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