JP7623563B2 - 垂直共振器面発光レーザ素子 - Google Patents

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Description

本開示は、垂直共振器面発光レーザ素子に関する。
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、例えば、半導体積層体に絶縁膜を形成することにより電流狭窄を行う構造が提案されている。
特許文献１には、ｐ型半導体層の表面に開口を有する絶縁膜を形成し、その開口において露出したｐ型半導体層の表面にＩＴＯなどの透明電極を形成する構造が記載されている。また特許文献２には、ＧａＮ系の半導体積層体を有する面発光レーザ素子のｐ型半導体層としてメサ状構造体を設け、開口部を有する絶縁膜でメサ状構造体を包囲することが記載されている。
特開２０１５－０３５５４１号公報 特開２０１８－１２９３８５号公報
ｐ型半導体層上に電流狭窄構造として凸部を有する面発光レーザ素子では、凸部に起因して、その上に形成される電極自体の厚みが変動し、特に凸部の側面における電極は薄くなりやすい傾向がある。端面発光レーザ素子と異なり、垂直共振器面発光レーザ素子ではこの凸部の側面を伝う部分の電極が電流経路となるため、このように電極が薄くなっている薄膜部に電流が流れる場合、シート抵抗が高くなる傾向がある。また、凸部の起伏に起因して、その上の電極は折れ曲がった形状となる。この電極が折れ曲がっている箇所では電流集中が起こる傾向があり、これらに起因して電極の破壊を招くことがある。
本開示は以下の発明を含む。
第１光反射膜と、
前記第１光反射膜の上面に、ｎ側半導体層、活性層及び凸部を有するｐ側半導体層がこの順に積層された窒化物半導体の積層体と、
前記凸部の上面に接触し、前記凸部の周囲の表面に延長する透光性のｐ電極と、
前記ｐ電極の上に配置される第２光反射膜とを備え、
前記凸部の高さが、前記ｐ電極の厚みよりも小さい垂直共振器面発光レーザ素子。
本開示の垂直共振器面発光レーザ素子によれば、ｐ側半導体層側に凸部を有する面発光レーザ素子について、寿命特性が改善された垂直共振器面発光レーザ素子を提供することができる。
本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子の構造を説明するための概略平面図である。 図１ＡのＩＡ－ＩＡ’線の概略断面図である。 図１Ａの垂直共振器面発光レーザ素子の電流狭窄構造における積層構造を示す要部の概略断面図である。 図１Ｃの凸部近傍Ｑを拡大した概略断面図である。 図１Ｄの凸部近傍をさらに拡大した概略断面図である。 垂直共振器面発光レーザ素子の変形例を示す要部の概略断面図である。 試験例１の垂直共振器面発光レーザ素子を、連続発振させた場合の規格化光出力の時間変化を示すグラフである。
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。
なお、本明細書において、垂直共振器面発光レーザ素子を構成する窒化物半導体の積層体において、ｎ側半導体層からｐ側半導体層に向かう方向を上方という。
本開示の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、第１光反射膜１と、窒化物半導体の積層体５と、透光性のｐ電極６と、第２光反射膜８とを備える。積層体５は、第１光反射膜１の上面に配置されており、ｎ側半導体層２、活性層３、及び、凸部４ａを有するｐ側半導体層４がこの順に積層されている。ｐ電極６は、凸部４ａの上面に接触し、凸部の周囲の表面４ｂに延長して配置されている。第２光反射膜８は、ｐ電極６の上に配置されている。
このような構成を有する垂直共振器面発光レーザ素子では、凸部の高さが、ｐ電極の厚みよりも小さいことにより、ｐ側半導体層の凸部に起因するｐ電極の部分的な薄膜化及び電流集中を抑制することができ、電流集中によるｐ電極の破壊を抑制することが可能となる。その結果、寿命特性を改善することができる。そのような凸部の高さとｐ電極の厚みの関係に代えて、あるいはそれに加えて、凸部の側面の傾斜角を４５度以下とすることができる。これにより、ｐ側半導体層の凸部に起因するｐ電極の部分的な薄膜化及び電流集中を抑制することができ、電流集中によるｐ電極の破壊を抑制することが可能となる。その結果、寿命特性を改善することができる。
（第１光反射膜１）
第１光反射膜１は、例えば、半導体多層膜、誘電体多層膜を含んで構成される。屈折率が異なる２種以上の膜を交互に積層することにより、光反射膜を得ることができる。半導体多層膜としては、窒化物半導体層、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ化合物半導体が挙げられる。具体的には、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮが挙げられる。なかでも、ＧａＮと、それと格子整合するＡｌＩｎＮとの組み合わせが好ましい。また誘電体積層膜としては、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ等の酸化物、窒化物又はフッ化物等が挙げられる。具体的には、ＳｉＯ2／Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3が挙げられる。
第１光反射膜１は、意図する反射率を得るために、各層を構成する材料、膜厚、積層数等を適宜選択することができる。例えば、積層膜を構成する各層の厚さはλ／（４ｎ）（但し、λはレーザの発振波長、ｎは各層を構成する媒質の屈折率である）であり、発振波長λにおける用いる材料の屈折率ｎによって適宜設定することができる。具体的には、λ／（４ｎ）の奇数倍とすることが好ましい。例えば、発振波長λが４５０ｎｍの発光素子において、第１光反射膜１を、ＧａＮ／ＡｌＩｎＮによって構成する場合、各層の厚みは、４０ｎｍ～７０ｎｍが挙げられる。積層膜の積層数は、意図する特性により適宜設定することができる。積層膜の積層数は、２層以上が挙げられ、例えば５層～１００層とすることができる。第１光反射膜１の全体の厚みは、例えば、０．０８μｍ～７μｍとすることができる。
第１光反射膜１は、レーザ素子の発光部を覆う限り、大きさ及び形状は、適宜設計することができる。
第１光反射膜１は、例えば、後述するように、半導体成長用の基板１１の上に又はこの上に下地層等を介して、当該分野で公知の方法によって形成することができる。
（窒化物半導体の積層体５）
窒化物半導体の積層体５は、第１光反射膜１上に配置されている。窒化物半導体の積層体５は、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ化合物半導体からなるｎ側半導体層２、ＡｌＩｎＧａＮ化合物半導体からなる活性層３、ＡｌＩｎＧａＮ化合物半導体からなるｐ側半導体層４が、第１光反射膜１上にこの順に積層されて構成されている。ＡｌＩｎＧａＮ化合物半導体としては、例えば、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮが挙げられる。
ｎ側半導体層２は、単層又は多層であり、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３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。また、障壁層としてはＧａＮの他に量子井戸層のＩｎＧａＮよりＩｎ組成の低いＩｎＧａＮ等を用いることもできる。ｐ側半導体層４は、ｐ側クラッド層と、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側クラッド層は、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４の最上層とする。
ｎ側半導体層２、活性層３及びｐ側半導体層４の各厚みは、適宜設定することができる。後述する第１光反射膜１の上面から第２光反射膜８の下面までの全膜厚をλ／(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３に、定在波の最も弱い部分が、後述する透光性のｐ電極６に位置するように配置することが好ましい。このような設定にすることで、閾値電流を低減することができる。なお、閾値電流とはレーザ発振に必要な最小電流を意味する。
窒化物半導体の積層体５は、ｐ側半導体層４の上面に凸部４ａを有する。凸部４ａは上方に凸の形状を有している。この凸部４ａの上面が電流注入領域として機能し、電流注入領域の直下が発光部となる。凸部４ａの平面視形状としては、円形、楕円形、多角形等の形状が挙げられるが、窒化物半導体の積層体５により均一な電流を注入することを考慮して、円形であるものが好ましい。凸部４ａの上面の大きさは、例えば、直径又は一辺の長さ２μｍ～１２μｍのものが挙げられる。凸部４ａの側面は、凸部４ａの上面に対して垂直でもよいが、図１Ｄ、１Ｅに示すように、傾斜していることが好ましい。凸部４ａの傾斜角（図１Ｅ中、α）は、６０度以下が挙げられ、４５度以下が好ましく、４０度以下がより好ましく、３０度以下がさらに好ましい。また、傾斜角αは、０度より大きく、１度以上であってよく、５度以上であってもよい。傾斜角αは、図１Ｅに示すように、凸部の周囲の表面４ｂから凸部の中心に向かって延長される仮想的な平面に対する凸部４ａの側面の角度である。図１Ｅの断面図において、凸部の周囲の表面４ｂから凸部の中心に向かって延長される仮想的な平面は、１つの仮想的な直線（以下、仮想線Ａという）で示す。図１Ｅに示すように、凸部の周囲の表面４ｂと凸部４ａとの接続部が曲面である場合は、断面視において、凸部４ａの側面を１つの仮想的な直線（以下、仮想線Ｂという）で表し、仮想線Ａに対する仮想線Ｂの角度を傾斜角αとする。なお、図１Ｅにおいて、仮想線Ａと仮想線Ｂとがなす角は２種類あるが、凸部４ａの傾斜角αは、仮想線Ａと、仮想線Ｂのうち、仮想線Ａと仮想線Ｂの交点から上方に向かう部分と、がなす角である。なお、ここでの凸部の周囲の表面４ｂとは図１Ｂ等に示すように、凸部４ａの周囲の表面の内、平坦となっているｐ側半導体層４の表面を指す。また、凸部４ａは、例えば、錐台形状とすることが好ましい。凸部４ａが上記範囲内の角度で傾斜していることにより、後述するｐ電極６の薄膜化をより抑制することができる。加えて、凸部４ａ付近でのｐ電極６の起伏を緩やかにすることができ、凸部４ａの周辺のｐ電極６の折れ曲がる箇所での電流集中を低減することができる。このように、ｐ側半導体層４の上面に凸部４ａを形成することにより発光部を規定することができる。また、凸部４ａを形成することにより共振器部分とその周辺部とで屈折率差を与えることができ、横方向の光閉じ込めが可能となる。
凸部４ａの高さ（図１Ｄ中、Ｄ）は、例えば、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下が挙げられる。
なかでも、後述するｐ電極６の厚みよりも小さいことが好ましい。凸部４ａの高さＤは、ｐ電極の厚みの０．８倍以下が好ましく、０．５倍以下がより好ましく、０．３倍以下がさらに好ましい。また、凸部４ａの高さＤはｐ電極６の厚みの０．０５倍以上であってもよい。このように、凸部４ａの高さＤをｐ電極６の厚みよりも小さくすることにより、その上に形成される、後述するｐ電極６に関して、凸部に起因するｐ電極６の厚みの変動を低減することができる。これによって、部分的な薄膜化を抑制することができる。また、凸部４ａ周辺のｐ電極６において、最短電流経路を確保しやすくなり、折れ曲がる箇所におけるｐ電極６への電流集中を緩和することができる。これらの結果、ｐ電極６の破壊を低減させることができ、寿命特性を改善することが可能となる。また、凸部４ａ上に形成される、後述する第２光反射膜８を、図１Ｃに示すように、凸部４ａの上面、つまり、電流注入領域Ｘの直上において、より平坦に配置することができる。これにより、発光部にキャリアを効果的に注入することができる。その結果、発光部においてより安定してレーザ光を発生させることができる。なお、ここでの凸部４ａの高さＤとは、例えば、図１Ｄに示すように、凸部の周囲の表面４ｂから凸部４ａの中心に向かって延長される仮想的な平面と、凸部４ａの上面とにおける最短距離を指す。
また、凸部４ａの高さＤは、３０ｎｍ以下の高さとすることが好ましく、２０ｎｍ以下の高さとすることがより好ましく、１５ｎｍ以下の高さとすることがさらに好ましい。３０ｎｍ以下の高さに設定することにより、凸部４ａ表面での光の散乱損失を低減することができ、垂直共振器面発光レーザ素子の閾値電流を低減することができる。また、凸部４ａの高さＤは、１ｎｍ以上または３ｎｍ以上の高さとすることが好ましい。１ｎｍ以上の高さとすることで、電流狭窄をより行いやすくなる。
凸部４ａは、ｐ側半導体層４のなかでも、ｐ型不純物を最も高濃度にドープしたｐ側コンタクト層によって上面が形成されていることが好ましい。凸部４ａは、その全体が、ｐ側コンタクト層のみによって形成されていてもよいが、凸部４ａは、ｐ側コンタクト層よりもｐ型不純物が低濃度にドープされた又はアンドープの層を有することが好ましい。凸部の周囲の表面４ｂには、このような低濃度ドープ又はアンドープの層が配置していることが好ましい。この場合、凸部４ａの下部にも、その低濃度ドープ又はアンドープの層が配置されている。このような低濃度ドープ又はアンドープの層は、例えばｐ側クラッド層として配置されている。言い換えると、凸部４ａの上面を構成する層のｐ型不純物濃度は、凸部の周囲の表面４ｂのｐ型不純物濃度よりも高いことが好ましい。これにより、凸部４ａの上面は、透光性のｐ電極６とコンタクトを良好にとることができる。また、凸部の周囲の表面４ｂがｐ電極６と接触していても、凸部４ａと比較してその部分に注入される電流を低減することができる。したがって、電流を実質的に凸部４ａの上面のみから、効率的に注入することができる。凸部の周囲の表面４ｂを構成する層のｐ型不純物濃度は、例えば１×１０17ｃｍ-3～１×１０19ｃｍ-3とすることができる。また、凸部４ａの上面を構成する層のｐ型不純物濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ-3～５×１０2１ｃｍ-3とすることができる。
後述する第２光反射膜８を平坦に形成するために、凸部４ａの上面は平坦な面であることが好ましい。また、ｐ側半導体層４は、凸部の周囲の表面４ｂも、平坦な面であることが好ましい。なお、凸部４ａの上面が平坦とは、例えば凸部４ａ上面の算術平均粗さが０．１ｎｍから２ｎｍであることを意味する。また凸部の周囲の表面４ｂが平坦とは例えば、凸部の周囲の表面４ｂの算術平均粗さが０．１ｎｍから２ｎｍであることを意味する。
電流狭窄の一例として、上述のように凸部４ａの上面がｐ型不純物を高濃度ドープしたｐ側コンタクト層により形成され、凸部の周囲の表面４ｂが、ｐ型不純物を低濃度ドープした層によって形成されることが挙げられる。このような構成にすることで、ｐ側コンタクト層から電流が優先的に注入され、ｐ電極６とｐ側半導体層４の間に絶縁膜を設けることなく、つまり、凸部の周囲の表面４ｂを平坦にしたまま、電流狭窄が可能となる。
図１Ｂに示すように、窒化物半導体の積層体５は、凸部の周囲の表面４ｂ、つまりｐ側半導体層４の側において、ｐ側半導体層４及び活性層３及びｎ側半導体層２の一部が厚み方向に除去されて、ｎ側半導体層２が一部露出していることが好ましい。言い換えると、ｎ側半導体層２における窒化物半導体の積層体５の上面の側、つまりｐ側半導体層４の側の一部においてｎ側半導体層２が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電極及びｎ電極を積層体の同一面側に配置することができる。
窒化物半導体の積層体５を形成した後、フォトリソグラフィ及びエッチングなどの公知の方法を利用することにより、凸部４ａを形成することができるとともに、ｎ側半導体層２の一部を露出することができる。
（ｐ電極６）
ｐ電極６は、ｐ側半導体層４の凸部４ａから電流を注入するための電極であり、少なくとも凸部４ａの上面に接触している電極である。ｐ電極６は、凸部４ａの側面まで延長しており、凸部の周囲の表面４ｂにまで延長していてもよい。例えば、ｐ電極６は、凸部４ａの上面から、凸部４ａの側面を通って、凸部４ａ周囲のｐ側半導体層４上にまで配置されている。
ｐ電極６は、ｐ側半導体層４にのみ接触していることが好ましく、特に凸部４ａの周辺においては、平坦なｐ側半導体層４に接触していることがより好ましい。またｐ電極６上面の平面積は、例えば、凸部４ａ上面の平面積よりも大きく、平面視においてｐ側半導体層４の上面の外縁より内側にその外縁が配置される大きさとすることができる。これにより、平面視において第２光反射膜８と重ならないようにｐパッド電極９ｐを形成しやすくなる。
ｐ電極６は、垂直共振面発光レーザ素子の発振するレーザ光のピーク波長の光に対する透過率が６０％以上、より好ましくは９０％以上である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、インジウム－錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム－亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の酸化物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電極６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電極６の厚みは、例えば、１００ｎｍ以下が挙げられ、６０ｎｍ以下が好ましく、３５ｎｍ以下がより好ましく、３０ｎｍ以下がさらに好ましい。また、ｐ電極６の厚みは５ｎｍ以上であってよい。ｐ電極６の厚みは、例えば、５ｎｍ～１００ｎｍが挙げられ、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下が好ましく、１５ｎｍ以上３５ｎｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下がさらに好ましい。ｐ電極６の厚みが上述の範囲内にあることで、ｐ電極６への光の吸収を低減し、閾値電流を低減することができる。
ｐ電極６の厚みと凸部４ａの高さとの差は、例えば１０ｎｍ以上とすることができ、２０ｎｍ以上が好ましい。これにより、凸部４ａの周辺のｐ電極６の折れ曲がる箇所での電流集中をより低減することができる。ｐ電極６の厚みと凸部４ａの高さとの差は、１００ｎｍ以下が挙げられる。
ｐ電極６の厚みは、凸部４ａの高さの１．２５倍以上としてよく、２倍以上とすることが好ましく、３倍以上とすることがより好ましい。これにより、凸部４ａの周辺のｐ電極６の折れ曲がる箇所での電流集中をより低減することができる。ｐ電極６の厚みは、凸部４ａの高さの２０倍以下としてよい。
（第２光反射膜８）
第２光反射膜８は、ｐ電極６の上に配置されている。凸部４ａの上面のみに配置されていてもよいし、凸部４ａの上面から凸部４ａの側方まで延長するように、つまり、凸部の周囲の表面４ｂの少なくとも一部にも配置されていてもよい。特に、第２光反射膜８が凸部の周囲の表面４ｂにも配置されている場合、凸部の周囲の表面４ｂは、平坦であることが好ましい。このような配置により、第２光反射膜８は、電流注入領域の直上又は直上及びその周辺において平坦に形成することができる。そのために、第２光反射膜８は下地の凹凸による影響を受けることなく、誘電体多層膜の比較的広範囲の領域で、反射率を均一に確保することができる。その結果、発振するレーザ光の形状を安定化するために、容易に制御することが可能となる。
凸部の周囲の表面４ｂの少なくとも一部とは、例えば、凸部４ａを取り囲む領域であって、凸部４ａの直径又は一辺の長さの１０％～５０％程度大きくなる直径又は一辺の長さの領域が挙げられる。凸部４ａの上面の面積は電流狭窄を行なうため小さいことが好ましい一方、第２光反射膜８の平面積はある程度大きい方が形成しやすい。このため、第２光反射膜８は凸部４ａの上面のみではなく凸部の周囲の表面４ｂの少なくとも一部を含む領域にまで設けることが好ましい。
第２光反射膜８は、誘電体多層膜を含んで構成することができる。第２光反射膜８は、上述した第１光反射膜１で例示した誘電体多層膜と同様の構成とすることができる。例えば、ＳｉＯ2／Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3が挙げられる。各層の厚さはλ／（４ｎ）（ここで、λはレーザの発振波長、ｎは各層を構成する媒質の屈折率である）とすることが好ましい。積層数は意図する特性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８を、ＳｉＯ2／Ｎｂ2Ｏ5等から構成する場合、各層は、４０ｎｍ～７０ｎｍ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８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８は、後述する絶縁膜７とは離間して配置されていることが好ましい。言い換えると、第２光反射膜８は、平面視において、後述する絶縁膜７と重ならないように配置されていることが好ましい。これにより、より段差が少ない第２光反射膜８を配置することができる。
（その他の部材）
（絶縁膜７）
垂直共振器面発光レーザ素子１０Ａは、さらに絶縁膜７を備えていてもよい。
絶縁膜７は、凸部４ａの上面と離間して配置されることが好ましい。これにより、より段差の少ないｐ電極６を形成することができる。加えて、より段差が少ない第２光反射膜８を配置することができる。また、絶縁膜７は、少なくともｐ側半導体層４の凸部４ａの周囲の表面４ｂの一部を被覆することが好ましい。言い換えると、絶縁膜７は、平面視において、凸部４ａ、又は、凸部４ａ及びその周辺に開口を有するように、凸部４ａと重ならないように、少なくとも窒化物半導体の積層体５の上面に形成することが好ましい。これにより、凸部４ａ以外からの電流注入を低減することができる。また、窒化物半導体の側面の一部又は全部、露出したｎ側半導体層２の上面の一部上に配置されていてもよい。絶縁膜７の厚みは、適宜設定することができる。
絶縁膜７は第２光反射膜８と離間して配置されることが好ましい。言い換えると、平面視において、絶縁膜７と第２光反射膜８が重ならないように配置されていることが好ましい。これにより、凸部４ａの上面の直上において第２光反射膜８をより平坦に配置することができる。
絶縁膜７は、ＳｉＯ2を含むＳｉＯX系材料、ＳｉＮ等のＳｉＮY系材料、ＳｉＯXＮY系材料、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3等の無機材料等によって形成することができる。
（ｐパッド電極９ｐ、ｎ電極９ｎ）
垂直共振器面発光レーザ素子１０Ａは、凸部４ａの側方でｐ電極６と電気的に接続されたｐパッド電極９ｐをさらに備えることが好ましい。また、露出したｎ側半導体層２に電気的に接続されたｎ電極９ｎとが配置されていることが好ましい。このような構成により、電流経路として第１光反射膜１を通過する必要がなくなるため、第１光反射１にｎ型不純物をドープする必要がなく、第１光反射１をより反射率の高い光反射とすることができる。
これらｐパッド電極９ｐ及びｎ電極９ｎ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何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。ｐパッド電極９ｐは、凸部４ａの外周を取り囲む形状で配置することが好ましい。これにより、ｐパッド電極９ｐからｐ電極６を介して、ｐ側半導体層４により均一に電流を注入することができる。また、ｐパッド電極９ｐは、第２光反射膜８と離間して配置することが好ましい。言い換えると、ｐパッド電極９ｐは、平面視で、第２光反射膜８と重ならないように配置されていることが好ましい。このように、ｐパッド電極９ｐが第２光反射膜８の直下に配置されないことにより、電流注入領域の直上における第２光反射膜８をより平坦にしやすくすることができる。
ｎ電極９ｎ及びｐパッド電極９ｐ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電極９ｎ及びｐパッド電極９ｐを同じ材料によって同じ積層構造で形成する場合、ｎ電極９ｎ及びｐパッド電極９ｐを同一工程で形成することができる。
（基板１１）
窒化物半導体の積層体５は、通常、半導体成長用基板の上に積層されることから、垂直共振器面発光レーザ素子は、半導体成長用の基板１１を有していてもよい。第１光反射膜１が窒化物半導体から形成される場合は、基板１１の上にまず第１光反射膜１を形成し、その上に積層体５を形成する。もしくは基板１１上に積層体５を形成した後に、積層体５から半導体成長用基板を除去し、除去によって露出した積層体５の表面に第１光反射膜１が形成されていてもよい。半導体成長用の基板１１としては、例えば、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。
（放熱基板１２）
上述した垂直共振器面発光レーザ素子は、図２に示すように、放熱基板１２に接合された、垂直共振器面発光レーザ素子１０Ｂとしてもよい。放熱基板１２としては、ＡｌＮ等のセラミックス、ＳｉＣ等の半導体からなる半導体基板、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１２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９ｐ及びｎ電極９ｎと電気的に接続される。ｐパッド電極９ｐとｎ電極９ｎが積層体５を挟んで配置されている場合や、第１光反射膜１の側を放熱基板１２に接合する場合など、ｐ電極とｎ電極の両方を放熱基板１２に電気的に接続する必要がない場合は、放熱基板１２として金属基板などの導電性の基板を用いてもよい。放熱基板１２の厚みは、例えば、５０μｍ～５００μｍ程度が挙げられる。
放熱基板１２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。
（反射防止膜１４）
上述した垂直共振器面発光レーザ素子１０Ｂは、第１光反射膜１側からレーザ光が出射されるが、第１光反射膜１の積層体５とは反対側の面、上述した基板１１を有する場合には、基板１１の積層体５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１光反射膜１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、０．４μｍが挙げられる。
（垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法）
上述した垂直共振器面発光レーザ素子は、以下のように製造することができる。例えば、ｎ側半導体層２、活性層３及び凸部４ａを有するｐ側半導体層４をこの順に有する窒化物半導体の積層体５を形成し、凸部４ａの上面に接触し、凸部の周囲の表面４ｂに延長する透光性のｐ電極６を形成し、ｐ電極６の上に第２光反射膜８を形成し、凸部４ａはｐ側半導体層４上面の一部を除去することで形成し、ｐ電極６の形成は凸部４ａの高さがｐ電極６の厚みより小さくなるように行う。また上記の方法の内、ｐ電極６の形成は凸部４ａの高さがｐ電極６の厚みより小さくなるように行うことに替えて、凸部４ａの形成を凸部４ａの側面の傾斜角αが４５度以下となるように行ってもよい。または、これらの両方を満たすｐ電極６を形成してもよい。第１光反射膜１の形成については、例えば積層体５を形成する前に行う。すなわち、半導体成長用の基板１１を準備し、基板１１上に第１光反射膜１を形成してもよい。その後、第１光反射膜１の上面に、ｎ側半導体層２、活性層３及びｐ側半導体層４をこの順に積層する。さらにｐ側半導体層４上面の一部を除去することで凸部４ａを形成する。これにより、窒化物半導体の積層体５を形成することができる。凸部４ａは、例えば、ドライエッチング等を用いて、部分的に凸部４ａを残すようにｐ側半導体層の一部を除去することで形成することができる。窒化物半導体の積層体５を形成する際、凸部４ａの形成の前後に、ｐ側半導体層４及び活性層３の一部を除去することにより、ｎ側半導体層２の表面を露出させてもよい。その後、凸部４ａの上面に接触し、凸部の周囲の表面４ｂに延長する透光性のｐ電極６を形成する。
続いて、ｐ側半導体層４の凸部４ａの側方等を被覆する絶縁膜７を形成してもよい。絶縁膜７は、例えば、ｐ電極６の外周を被覆するように、その一部がｐ電極６を被覆するように形成してもよい。
絶縁膜７を形成した後、ｐパッド電極９ｐ及びｎ電極９ｎを形成する。ｐパッド電極９ｐを、凸部４ａよりも大きく、凸部４ａの上面及びその周りを取り囲むようなリング状で形成する場合には、ｐパッド電極９ｐからｐ電極６を介して、ｐ側半導体層４により均一に電流を注入することができる。
ｐ電極６の上であって、凸部４ａの上面から少なくとも凸部の周囲の表面４ｂの一部の上に、第２光反射膜８を形成する。第２光反射膜８は、絶縁膜７とは離間し、接触しないように配置することが好ましい。
その後、図２に示すように、半導体成長用の基板の第１光反射膜１と反対側の面を薄膜化して、薄膜化された基板を形成することができる。この際、半導体成長用の基板を完全に除去してもよい。薄膜化又は除去は、当該分野で公知の研磨方法やエッチング方法等を利用して行うことができる。基板の第１光反射膜１と反対側の面に反射防止膜１４を形成してもよい。基板１１を完全除去する場合は、反射防止膜１４は第１光反射膜１の表面に形成してよい。
さらに、得られた積層体５を、放熱基板１２に接合することができる。接合層１３は、ｐパッド電極９ｐ及びｎ電極９ｎにそれぞれに接合し、放熱基板１２の金属膜１５とそれぞれ接合するように配置することができる。放熱基板１２と得られた積層体５との間、つまり積層体５における接合層１３が配置される領域以外の領域は、空洞のままであってもよいし、絶縁性の放熱部材等によって埋め込んでもよい。なお、放熱基板１２への積層体５の接合は、基板１１の薄膜化等及び／又は反射防止膜１４の形成の前に行ってもよい。また、第１光反射膜１の形成は第２光反射膜８の形成の後に行ってもよい。例えば、基板１１の一部または全部を除去し、その除去によって露出した面に第１光反射膜１を形成することができる。
試験例１
垂直共振器面発光レーザ素子１０Ａとして、図１Ａ及び１Ｂに示すように、ＧａＮからなる基板１１と、窒化物半導体の積層体５と、ＩＴＯからなる透光性のｐ電極６（３０ｎｍ厚）と、誘電体積層膜を含む第２光反射膜８（ＳｉＯ2／Ｎｂ2Ｏ5、７６．９／４７．８ｎｍ厚、１５．５ペア）と、絶縁膜７（ＳｉＯ2、１００ｎｍ厚）を有するレーザ素子を形成した。積層体５は、第１光反射膜１（ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ、５１．２ｎｍ／４６．６ｎｍ厚、５０ペア）、ｎ側半導体層２（ＳｉドープＧａＮ）、活性層３（ＧａＮ／ＩｎＧａＮ）、ｐ側半導体層４（アンドープＧａＮ及びＭｇドープＡｌＧａＮ及びＭｇドープＧａＮ）がこの順に積層されたものである。ｐ側半導体層４は凸部４ａ（傾斜角：２７度、高さ：８ｎｍ、直径：５μｍ、平面視形状：円形）を有する。ｐ電極６は凸部４ａの上面に接触し、凸部の周囲の表面４ｂに延長している。第２光反射膜８は凸部４ａの側方まで延長し、ｐ電極６の上に配置されている。絶縁膜７は第２光反射膜８と離間し、ｐ側半導体層４の凸部の周囲の表面４ｂの少なくとも一部を被覆している。積層体５は、一部において、ｐ側半導体層４及び活性層３が除去されてｎ側半導体層２が露出しており、その表面及びｐ電極６上にはｎ電極９ｎ及びｐパッド電極９ｐ（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、１．５ｎｍ／２００ｎｍ／５００ｎｍ）が形成されている。
このような構成の垂直共振器面発光レーザ素子１０Ａを、室温にて電流（４ｍＡ）を注入して連続動作させたところ、図１Ｂにおける下方向にピーク波長が４４３ｎｍのレーザ光が出射された。
また、垂直共振器面発光レーザ素子１０Ａを、室温にて電流（４ｍＡ）を注入して連続動作させ、エージング装置にて寿命試験を行った。寿命試験による寿命特性の結果を図３に示す。本開示における寿命特性とは、このようにレーザ素子に一定の電流を注入し、連続動作させる際にレーザ素子が発光強度を維持する度合を意味する。図３の結果から、垂直共振器面発光レーザ素子１０Ａは、１０００時間後においても、動作開始初期の出力に対して７０％に近い出力を維持していたことが分かる。また、１０００時間の駆動後においてもレーザ発振することが確認された。
１ 第１光反射膜
２ ｎ側半導体層
３ 活性層
４ ｐ側半導体層
４ａ 凸部
４ｂ 凸部の周囲の表面
５ 積層体
６ ｐ電極
７ 絶縁膜
８ 第２光反射膜
９ｎ ｎ電極
９ｐ ｐパッド電極
１０Ａ、１０Ｂ 垂直共振器面発光レーザ素子
１１ 基板
１２ 放熱基板
１３ 接合層
１４ 反射防止膜
１５ 金属膜

Claims (16)

  1. 第１光反射膜と、
    前記第１光反射膜の上面に、ｎ側半導体層、活性層及び凸部を有するｐ側半導体層がこの順に積層された窒化物半導体の積層体と、
    前記凸部の上面に接触し、前記凸部の周囲の表面に延長する透光性のｐ電極と、
    前記ｐ電極の上に配置される第２光反射膜とを備え、
    前記凸部の高さが、前記ｐ電極の厚みよりも小さく、
    前記凸部の傾斜角が６０度以下である垂直共振器面発光レーザ素子。
  2. 前記凸部の上面を構成する層のｐ型不純物濃度は、前記凸部の周囲の表面のｐ型不純物濃度よりも高い、請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  3. 第１光反射膜と、
    前記第１光反射膜の上面に、ｎ側半導体層、活性層及び凸部を有するｐ側半導体層がこの順に積層された窒化物半導体の積層体と、
    前記凸部の上面に接触し、前記凸部の周囲の表面に延長する透光性のｐ電極と、
    前記ｐ電極の上に配置される第２光反射膜とを備え、
    前記凸部の高さが、前記ｐ電極の厚みよりも小さく、
    前記凸部の上面を構成する層のｐ型不純物濃度は、前記凸部の周囲の表面のｐ型不純物濃度よりも高い、垂直共振器面発光レーザ素子。
  4. 前記第２光反射膜は、誘電体積層膜を含み、前記凸部の側方まで延長するように前記ｐ電極上に配置される請求項１～３のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  5. 前記凸部の上面と離間し、少なくとも前記ｐ側半導体層の前記凸部の周囲の表面の一部を被覆する絶縁膜をさらに備える請求項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。
  6. 前記絶縁膜は、前記第２光反射膜と離間している請求項５に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  7. 前記ｐ電極は、１００ｎｍ以下の厚みを有する請求項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。
  8. 前記凸部の側方で前記ｐ電極と接続するｐパッド電極をさらに備える請求項１～７のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  9. 前記ｐパッド電極は前記第２光反射膜から離間している請求項８に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  10. 前記第１光反射膜は、半導体多層膜を含む請求項１～９のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  11. 前記ｐ側半導体層は、ｐ側クラッド層及び該ｐ側クラッド層の上に配置されたｐ側コンタクト層を有し、
    前記凸部は、上面に前記ｐ側コンタクト層を有し、かつ前記凸部の周囲の表面は前記ｐ側クラッド層の表面である請求項１～１０のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  12. 前記第２光反射膜の上方に、さらに放熱基板を備えた請求項１～１１のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  13. 前記凸部の上面を構成する層のｐ型不純物濃度は、５×１０19ｃｍ－3～５×１０21ｃｍ－3であり、
    前記凸部の周囲の表面を構成する層のｐ型不純物濃度は、１×１０17ｃｍ－3～１×１０19ｃｍ－3である、請求項１～１２のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  14. 前記凸部の上面の算術平均粗さが０．１ｎｍから２ｎｍであり、
    前記凸部の周囲の表面の算術平均粗さが０．１ｎｍから２ｎｍである、請求項１～１３のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  15. 前記ｐ電極の厚みと前記凸部の高さとの差は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１～１４のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
  16. 前記ｐ電極の厚みは前記凸部の高さの、１．２５倍以上２０倍以下である、請求項１～１５のいずれか１項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
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