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JP7190865B2 - 垂直共振器型発光素子 - Google Patents

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Description

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。
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。
特許第5707742号公報
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、発光パターンが安定していること、例えば遠視野像が安定していることが好ましい。このためには、例えば、垂直共振器型発光素子内には、所望の横モードの光を生成できる共振器が構成されていることが好ましい。例えば、基本固有モードのレーザ光を生成することで、放射角が狭く、単峰性な高出力のレーザ光の遠視野像を得ることができる。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、安定した横モードの光を出射することが可能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。
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、発光層を含む発光構造層と、発光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、を有し、発光構造層は、第１の多層膜反射鏡と第２の多層膜反射鏡との間において環状に設けられた低抵抗領域と、低抵抗領域の内側に形成され、低抵抗領域よりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域と、を有することを特徴としている。
実施例１に係る面発光レーザの断面図である。 実施例１に係る面発光レーザの模式的な上面図である。 実施例１に係る面発光レーザ内の共振器の構成を模式的に示す図である。 実施例１に係る面発光レーザ内の電流経路を模式的に示す図である。 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。 実施例１に係る面発光レーザにおける電流注入領域の幅と固有モードとの関係を示す図である。 実施例１に係る面発光レーザから出射された光の遠視野像の例を示す図である。 実施例１に係る面発光レーザから出射された光の遠視野像の他の例を示す図である。 実施例１の変形例１に係る面発光レーザの模式的な上面図である。 実施例１の変形例２に係る面発光レーザの模式的な上面図である。 実施例１の変形例３に係る面発光レーザの模式的な上面図である。 実施例２に係る面発光レーザの断面図である。 実施例３に係る面発光レーザの断面図である。 実施例４に係る面発光レーザの断面図である。 実施例５に係る面発光レーザの断面図である。
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。
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、面発光レーザと称する）の断面図である。また、図２は、面発光レーザ１０の模式的な上面図である。図１は、図２のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図１及び図２を用いて、面発光レーザ１０の構成について説明する。
面発光レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成された第１の多層膜反射鏡（以下、単に第１の反射鏡と称する）１２と、を有する。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。
また、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。なお、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ＧａＮの組成を有するバッファ層（図示せず）が設けられている。
面発光レーザ１０は、第１の反射鏡１２上に形成され、発光層１４を含む発光構造層ＥＭを有する。本実施例においては、発光構造層ＥＭは、窒化物系半導体からなる複数の半導体層を含む。発光構造層ＥＭは、第１の反射鏡１２上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１３と、ｎ型半導体層１３上に形成された発光層（活性層）１４と、発光層１４上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層）１５と、を有する。
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の組成を有する井戸層及びＧａＮの組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する。また、ｐ型半導体層１５は、ＧａＮ系の組成を有し、Ｍｇをｐ型不純物として含む。
なお、発光構造層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、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。
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、電極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、例えば、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、クラッド層としてのＧａＮ層を有していればよい。
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１５は、上面１５Ａ及び上面１５Ａから突出した凸部１５Ｂを有する。凸部１５Ｂは、上面１５Ａに垂直な方向から見たときに環状に形成されている。また、本実施例においては、図２に示すように、凸部１５Ｂは、上面１５Ａから円環状に突出したｐ型半導体層１５の表面領域である。
面発光レーザ１０は、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂを除いた上面１５Ａ上に形成された絶縁層（第１の絶縁層）１６を有する。本実施例においては、絶縁層１６は、ｐ型半導体層１５の上面１５Ａと、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂの側面と、に接している。絶縁層１６は、発光層１４から放出された光に対して透光性を有し、ｐ型半導体層１５（凹部１５Ｂ）よりも低い屈折率を有する材料、例えば、ＳｉＯ2などの酸化物からなる。
また、絶縁層１６は、ｐ型半導体層１５の上面１５Ａにおける凸部１５Ｂに囲まれた領域上に形成された内側絶縁部１６Ａを有する。本実施例においては、ｐ型半導体層１５の発光層１４とは反対側の表面は、凸部１５Ｂの上端面において絶縁層１６から露出している。
面発光レーザ１０は、絶縁層１６上に形成され、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂにおいてｐ型半導体層１５に接続された透光電極層１７を有する。透光電極層１７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性の膜である。透光電極層１７は、絶縁層１６の上面及びｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂの上端面に接触している。例えば、透光電極層１７は、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる。
絶縁層１６は、透光電極層１７を介して発光構造層ＥＭに注入される電流を狭窄する電流狭窄層として機能する。まず、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂは、絶縁層１６から露出し、透光電極層１７（電極）に接触することで、発光構造層ＥＭにおける低抵抗領域ＬＲとして機能する。そして、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂが設けられた領域は、発光層１４に電流が注入される電流注入領域として機能する。
また、ｐ型半導体層１５における凸部１５Ｂの内側及び外側の領域（上面１５Ａの領域）は、絶縁層１６に覆われることで低抵抗領域ＬＲよりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域ＨＲとして機能する。すなわち、ｐ型半導体層１５の上面１５Ａが設けられた領域は、発光層１４への電流の注入が抑制される非電流注入領域として機能する。
換言すれば、発光構造層ＥＭは、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間において環状に設けられた低抵抗領域ＬＲと、低抵抗領域ＬＲの内側及び外側に形成され、低抵抗領域ＬＲよりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域ＨＲと、を有する。
面発光レーザ１０は、透光電極層１７上に形成された絶縁層（第２の絶縁層）１８を有する。例えば、絶縁層１８は、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2などの金属酸化物からなる。また、絶縁層１８は、発光層１４から放出された光に対して透光性を有する。
面発光レーザ１０は、絶縁層１８上に形成された第２の多層膜反射鏡（以下、単に第２の反射鏡と称する）１９を有する。第２の反射鏡１９は、発光構造層ＥＭを介して第１の反射膜１２に対向する位置に配置されている。第２の反射鏡１９は、第１の反射鏡１２との間で、発光構造層ＥＭに垂直な方向（基板１１に垂直な方向）を共振器長方向とする共振器ＯＣを構成する。
また、本実施例においては、図２に示すように、第２の反射鏡１９は、円柱状の形状を有する。従って、本実施例においては、面発光レーザ１０は、円柱状の共振器ＯＣを有する。
本実施例においては、第２の反射鏡１９は、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。
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。
発光構造層ＥＭにおけるｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂ、すなわち低抵抗領域ＬＲは、第１の反射鏡１２と第２の反射鏡１９との間の領域に設けられている。すなわち、本実施例においては、共振器ＯＣは、発光構造層ＥＭの低抵抗領域ＬＲに対応して第１及び第２の反射鏡１２及び１９間に延びる環状領域Ｒ２と、環状領域Ｒ２の内側において高抵抗領域ＨＲに対応して設けられた中央領域Ｒ１と、環状領域Ｒ２の外側に設けられた外側領域Ｒ３とを有する。
また、本実施例においては、絶縁層１６は、ｐ型半導体層１５よりも低い屈折率を有する。従って、共振器ＯＣ内における中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ３は環状領域Ｒ２よりも低い等価屈折率を有する。すなわち、中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ３は低屈折率領域として機能し、環状領域Ｒ２は高屈折率領域として機能する。また、本実施例においては、中央領域Ｒ１は、円柱状の形状を有し、環状領域Ｒ２及び外側領域Ｒ３の各々は、円筒状の形状を有する。
面発光レーザ１０は、発光構造層ＥＭに電流を印加する第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２を有する。第１の電極Ｅ１は、ｎ型半導体層１３上に形成されている。また、第２の電極Ｅ２は、透光電極層１７上に形成されている。
第１及び第２の電極Ｅ１及びＥ２間に電圧が印加されると、発光構造層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）。
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に及び発光構造層ＥＭに垂直な方向に光を出射する。
なお、発光構造層ＥＭにおけるｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂは、発光層１４における発光中心を画定し、共振器ＯＣの中心軸ＣＡを画定する。共振器ＣＡの中心軸ＣＡは、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂの中心を通り、ｐ型半導体層１５（発光構造層ＥＭ）に垂直な方向に沿って延びる。本実施例においては、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂの中心は、絶縁層１６における内側絶縁部１６Ａの中心に対応する位置に配置されている。
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。第２の反射鏡１９は、１０ペアのＴａ2Ｏ5層及びＡｌ2Ｏ3層からなる。
また、ｐ型半導体層１５は、凸部１５Ｂの領域において５０ｎｍの層厚Ｔ１を有する。ｐ型半導体層１５は、上面１５Ａの領域において３０ｎｍの層厚を有する。凸部１５Ｂは、３．３μｍの内径Ｄ１を有する。また、凸部１５Ｂは、１０μｍの外径を有する。凸部１５Ｂは、３．３５μｍの幅Ｗ１を有する。
また、絶縁層１６は、２０ｎｍの層厚を有する。絶縁層１６の上面は、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂの上端面と同一平面をなすように構成されている。なお、これらは一例に過ぎない。
図３は、面発光レーザ１０の共振器ＯＣの光学的な特性を模式的に示す図である。図３は、図１と同様の断面図であるが、ハッチングを省略している。本実施例においては、絶縁層１６は、ｐ型半導体層１５よりも低い屈折率を有し、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂの上端面と同一の高さで形成されている。また、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間における他の層の層厚は、それぞれ一定である。
従って、共振器ＯＣ内における等価的な屈折率（第１及び第２の反射鏡１２及び１９間の光学距離であり、共振器長）は、ｐ型半導体層１５及び絶縁層１６間の屈折率の差によって、中央領域Ｒ１、環状領域Ｒ２及び外側領域Ｒ３間で異なる。
具体的には、図３に示すように、環状領域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ＯＬ１とし、中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ３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とした場合、光学距離ＯＬ２は、光学距離ＯＬ１よりも小さい。すなわち、中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ３における等価的な共振器長は、環状領域Ｒ２における等価的な共振器長よりも小さい。
図４は、面発光レーザ１０の共振器ＯＣ内（発光構造層ＥＭ内）における電気的な特性を模式的に示す図である。図４は、発光構造層ＥＭ内を流れる電流ＣＲを模式的に示す図である。図４は、図１と同様の断面図であるが、ハッチングを省略している。本実施例においては、凸部１５Ｂの領域である環状領域Ｒ２が低抵抗領域ＬＲとして機能し、他の領域である中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ３は高抵抗領域ＨＲとして機能する。
従って、図４に示すように、環状領域Ｒ２においてのみ発光層１４に電流ＣＲが注入され、中央領域Ｒ１においては発光層１４にほとんど電流が注入されない。すなわち、環状領域Ｒ２において光が生成される（利得が生ずる）一方で、中央領域Ｒ１においては光が生成されない。
図５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５に示すように、中央領域Ｒ１に収束しつつ外部に取り出される。なお、図５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。
具体的には、まず、本実施例においては、絶縁層１６の屈折率は、ｐ型半導体層１５（凸部１５Ｂ）の屈折率よりも小さい。従って、共振器ＯＣ内において領域Ｒ１～Ｒ３間で等価屈折率の差が設けられている。本実施例においては、外側領域Ｒ３における共振器ＯＣ（レーザ媒質）の等価屈折率は、環状領域Ｒ２における共振器ＯＣの等価屈折率よりも小さい。
これによって、共振器ＯＣ内の定在波が環状領域Ｒ２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、環状領域Ｒ２の内側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の環状領域Ｒ２に集中し、高出力なレーザ光ＬＢを生成及び出射することができる。
また、本実施例においては、等価屈折率の差を設けることで共振器ＯＣ内の光閉じ込め構造が形成されている。従って、強度の低下を伴うことなくほぼ全ての光がレーザ光ＬＢとなる。従って、高効率で高出力なレーザ光ＬＢを生成及び出射することができる。
次に、本実施例においては、低抵抗領域ＬＲ、すなわち発光層１４に対する電流注入領域を環状領域Ｒ２のみに制限している。すなわち、中央領域Ｒ１には電流が注入されず、この非電流注入領域を囲むように電流注入領域が設けられている。これによって、レーザ光ＬＢの固有モードを安定させることができる。
具体的には、発光層１４から放出される光の波長を考慮し、主に低抵抗領域ＬＲの幅Ｗ１（図２を参照）、すなわち電流注入幅を調節することで、安定した固有モードのレーザ光ＬＢを出射することができる。これによって、安定した高強度な遠視野像を得ることができる。
図６Ａは、電流注入幅Ｗ１とレーザ光ＬＢの固有モード（スーパーモードとも称される）との関係を示す図である。図６Ａの横軸は低抵抗領域ＬＲ（すなわち凸部１５Ｂ）の幅Ｗ１を示し、縦軸はレーザ光ＬＢの固有モードの数を示している。なお、図６Ａは、幅Ｗ１に対するレーザ光ＬＢの固有モードの変化を示している。
図６Ａに示すように、電流注入幅Ｗ１が２．３μｍ以下の場合、８番目の固有モードが発現する。換言すれば、環状領域Ｒ２内において、８つのビームスポットがあり、その隣接するスポット間で位相が反転するモードが発現する（out-of-phaseモードとなる）。従って、遠視野像では、多峰性のレーザ光ＬＢが観測される。図６Ｂは、電流注入幅Ｗ１が２．３μｍ未満の場合のレーザ光ＬＢの遠視野像を示す図である。
一方、電流注入幅Ｗ１が２．８５μｍ以上場合、基本固有モードとなる。具体的には、環状領域Ｒ２内には８つのビームスポットが存在するが、そのスポットが全て同位相となるモードが発現する（in-phaseモードとなる）。従って、単峰性のレーザ光ＬＢが出射される。図６Ｃは、電流注入幅Ｗ１が２．８５μｍよりも大きい場合のレーザ光ＬＢの遠視野像を示す図である。
なお、本願の発明者は、電流注入幅Ｗ１が２．３～２．８５μｍの範囲内では、印加する電流値によって固有モードがin-phaseモード及びout-of-phaseモード間で変化することを確認している。
このように、低抵抗領域ＬＲを環状に配置し、その幅Ｗ１を調節することで、安定した固有モードのレーザ光ＬＢを生成することができ、安定した遠視野像を形成することができる。しかし、安定した横モードのレーザ光ＬＢを生成することを考慮すると、環状の低抵抗領域ＬＲ及びその内側の高抵抗領域ＨＲが共振器ＯＣ内に設けられていればよい。
なお、電流注入幅Ｗ１は、主に、レーザ光ＬＢ（すなわち発光層１４から放出される光）の波長及び共振器ＯＣの等価屈折率に応じて調節することができる。例えば、当該発光波長のみを考慮して幅Ｗ１を調節する場合、発光層１４から放出される光の波長を波長λとした場合、単峰性のレーザ光ＬＢを得ることを考慮すると、電流注入幅Ｗ１は、Ｗ１≧２．８５×（λ／０．４４５）［μｍ］の関係を満たすように設定されればよい。
また、当該発光波長及び等価屈折率の両方を考慮して幅Ｗ１を調節することで、レーザ光ＬＢの固有モードをより安定させることができる。例えば、発光層１４から放出される光の波長を波長λとし、当該波長λに対する環状領域Ｒ２の等価屈折率を屈折率ｎλとし、４４５ｎｍの波長に対する環状領域Ｒ２の等価屈折率を屈折率ｎ445とした場合、単峰性のレーザ光ＬＢを得ることを考慮すると、電流注入領域ＣＪの幅Ｗ１は、Ｗ１≧２．８５×（λ／０．４４５）×（ｎλ／ｎ445）［μｍ］の関係を満たすように設定されればよい。
また、本願の発明者は、電流注入幅Ｗ１は、５．５μｍ以下であることが安定した単一固有モードのレーザ光ＬＢを得る上で好ましいことを確認している。幅Ｗ１が５．５μｍよりも大きい場合、レーザ発振の閾値を超えると多モードのレーザ光ＬＢが出射される場合があったからである。すなわち、波長λが４４５ｎｍの場合に単峰性のレーザ光ＬＢを得ることを考慮すると、幅Ｗ１は、２．８５≦Ｗ１≦５．５［μｍ］の関係を満たせばよい。また、この範囲は、発光波長λ及び環状領域Ｒ２の等価屈折率に応じて調節されればよい。
また、低抵抗領域ＬＲの内径Ｄ１（図２を参照）は、発光層１４でのキャリア（電子又は正孔）の拡散長を考慮して好ましい範囲に設定されることができる。発光層１４でのキャリアの拡散長とは、例えば、発光層１４内において発光層１４に平行な方向（横方向）にキャリアが移動する距離に対応する。
例えば、本実施例においては、環状領域Ｒ２の内側に電流が注入されない発光層１４の領域を形成することが好ましい。従って、低抵抗領域ＬＲは、発光層１４に垂直な方向から見たときに、発光層１４でのキャリア（本実施例においては電子）の拡散長の２倍以上の内径Ｄ１を有していれば、環状領域Ｒ２の内側における発光層１４の領域の少なくとも一部に、電流が注入されない領域が形成される。従って、低抵抗領域ＬＲは、発光層１４に垂直な方向から見たときに、発光層１４でのキャリアの拡散長の２倍以上の内径Ｄ１を有することが好ましい。すなわち、低抵抗領域ＬＲの内側の高抵抗領域ＨＲの幅は、発光層１４でのキャリアの拡散長の２倍以上であることが好ましい。
また、同様に、ｐ型半導体層１５の層厚Ｔ１（本実施例においては凸部１５Ｂの上端面から発光層１４との界面までの距離、図１を参照）についても、発光層１４でのキャリアの拡散長を考慮して好ましい範囲に設定することができる。ｐ型半導体層１５の層厚Ｔ１は、発光層１４でのキャリアの拡散長の２倍以下であることが好ましい。これによって、キャリア（電子）が到達しない発光層１４の領域を環状領域Ｒ２の内側に形成することができる。
また、本実施例においては、環状領域Ｒ２は、低抵抗領域ＬＲであり、かつ高屈折率領域である。従って、注入される電流のほとんどをレーザ光ＬＢの生成に利用できるのみならず、屈折率差による中央領域Ｒ１又は外側領域Ｒ３でのレーザ光ＬＢの損失が大幅に抑制される。従って、高出力で安定した横モードのレーザ光ＬＢを、低閾値かつ高効率で生成することができる。また、中央領域Ｒ１に電流を流さないことで、中央領域Ｒ１での発熱を抑制することができ、高温での動作が可能となる。
なお、本実施例においては、環状領域Ｒ２が高屈折率領域であり、中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ３が低屈折率領域である場合について説明した。すなわち、低抵抗領域ＬＲと高抵抗領域ＨＲとの境界は、高屈折率領域と低屈折率領域との境界と一致する位置に設けられる場合について説明した。しかし、中央領域Ｒ１、環状領域Ｒ２及び外側領域Ｒ３の構成はこれに限定されない。
安定した横モードのレーザ光ＬＢを得ることを考慮すると、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間において、環状の低抵抗領域ＬＲ及び低抵抗領域ＬＲの内側の高抵抗領域ＨＲが設けられていればよい。例えば、中央領域Ｒ１と環状領域Ｒ２との境界とは異なる位置に、高屈折率領域と低屈折率領域との境界が設けられるように構成されていてもよい。
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１５が凸部１５Ｂを有し、凸部１５Ｂが透光電極層１７に接触することで低抵抗領域ＬＲとして機能する場合について説明した。しかし、発光構造層ＥＭが環状の低抵抗領域ＬＲを有していればよい。例えば、ｎ型半導体層１３が凸部１５Ｂと同様の凸部を有していてもよい。すなわち、低抵抗領域ＬＲ及び高抵抗領域ＨＲがｎ型半導体層１３に設けられていてもよい。
また、本実施例においては、低抵抗領域ＬＲ、すなわちｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂが円環状に形成されている場合について説明した。しかし、低抵抗領域ＬＲの構成はこれに限定されない。
図７Ａは、本実施例の変形例１に係る面発光レーザ１０Ａの模式的な上面図である。面発光レーザ１０Ａは、発光構造層ＥＭＡの構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。発光構造層ＥＭＡは、ｐ型半導体層１５Ｍ１の構成を除いては、発光構造層ＥＭと同様の構成を有する。
発光構造層ＥＭＡにおいては、ｐ型半導体層１５Ｍ１が楕円環状（トラック形状）の凸部１５Ｂ１を有する。すなわち、本変形例においては、楕円環状の環状領域Ｒ２（低抵抗領域ＬＲかつ高屈折率領域）が形成される。このように環状領域Ｒ２が形成されていても、例えば凸部１５Ｂ１の幅を調節することで、レーザ光ＬＢの固有モードは安定する。従って、例えば単峰性のレーザ光ＬＢの遠視野像を得ることができる。また、低放射角かつ高強度なレーザ光ＬＢを得ることができる。
図７Ｂは、本実施例の変形例２に係る面発光レーザ１０Ｂの模式的な上面図である。面発光レーザ１０Ｂは、発光構造層ＥＭＢの構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。発光構造層ＥＭＢは、ｐ型半導体層１５Ｍ２の構成を除いては、発光構造層ＥＭと同様の構成を有する。
発光構造層ＥＭＢにおいては、ｐ型半導体層１５Ｍ２が矩形環状の凸部１５Ｂ２を有する。すなわち、本変形例においては、矩形環状の環状領域Ｒ２（低抵抗領域ＬＲかつ高屈折率領域）が形成される。このように環状領域Ｒ２が形成されていても、例えば凸部１５Ｂ２の幅を調節することで、レーザ光ＬＢの固有モードは安定する。従って、例えば単峰性であり、低放射角かつ高強度なレーザ光ＬＢの遠視野像を得ることができる。
図７Ｃは、本実施例の変形例３に係る面発光レーザ１０Ｃの模式的な上面図である。面発光レーザ１０Ｃは、発光構造層ＥＭＣの構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。発光構造層ＥＭＣは、ｐ型半導体層１５Ｍ３の構成を除いては、発光構造層ＥＭと同様の構成を有する。
発光構造層ＥＭＣにおいては、ｐ型半導体層１５Ｍ３が十字を囲むような環状の凸部１５Ｂ３を有する。すなわち、本変形例においては、当該十字を囲む環状の環状領域Ｒ２（低抵抗領域ＬＲかつ高屈折率領域）が形成される。このように環状領域Ｒ２が形成されていても、例えば凸部１５Ｂ３の幅を調節することで、レーザ光ＬＢの固有モードは安定する。従って、例えば単峰性であり、低放射角かつ高強度なレーザ光ＬＢの遠視野像を得ることができる。
このように、本実施例においては、共振器ＯＣ内に環状の低抵抗領域ＬＲを設けることで、環状領域Ｒ２内において発現する光の固有モードを安定させる。これによって、例えば単一の固有モードのレーザ光ＬＢ（例えば図６Ｃを参照）を得たり、複数の固有モードの光の集合体としてのレーザ光ＬＢ（例えば図６Ｂを参照）を得る。従って、低抵抗領域ＬＲは、例えば図７Ａ～図７Ｃのように、種々の構成を有し得る。
また、本実施例においては、ｐ型半導体層１５及び絶縁層１６によって発光構造層ＥＭに低抵抗領域ＬＲが形成される場合について説明した。しかし、低抵抗領域ＬＲの構成はこれに限定されない。例えば、ｐ型半導体層１５の上面において、環状の領域を残して他の領域が高抵抗化されることで、低抵抗領域ＬＲが形成されてもよい。
上記したように、本実施例においては、面発光レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成された第１の反射鏡１２と、第１の反射鏡１２上に形成され、発光層１４を含む発光構造層ＥＭと、発光構造層ＥＭ上に形成され、第１の反射鏡１２との間で共振器ＯＣを構成する第２の反射鏡１９と、を有する。また、発光構造層ＥＭは、第１及び第２の反射鏡１２及び１９間において環状に形成された低抵抗領域ＬＲと、低抵抗領域ＬＲの内側に設けられ、低抵抗領域ＬＲよりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域ＨＲと、を有する。従って、安定した横モードの光を出射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。
図８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、発光構造層ＥＭ１及び低抵抗領域ＬＲの構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。
発光構造層ＥＭ１は、環状の領域を残してイオンが注入されたイオン注入領域２１Ａを有するｐ型半導体層（第２の半導体層）２１を有する。例えば、イオン注入領域２１Ａは、Ｂイオン、Ａｌイオン、又は酸素イオンが注入されたｐ型半導体層２１の上面の領域である。
なお、イオン注入領域２１Ａにおいては、ｐ型の不純物が不活性化されている。すなわち、イオン注入領域２１Ａは、高抵抗領域ＨＲとして機能する。また、イオン注入領域２１Ａにおいては、イオンが注入されることで屈折率が変化する。
また、本実施例においては、イオン注入領域２１Ａ以外のｐ型半導体層２１の領域２１Ｂは、イオン注入が行われていない非イオン注入領域であり、環状に形成されている。従って、本実施例においては、非イオン注入領域２１Ｂは、低抵抗領域ＬＲとして機能し、環状領域Ｒ２を構成する。
本実施例のように、イオン注入の有無によっても、電気抵抗及び屈折率に差を設けることができる。従って、低抵抗領域ＬＲを発光構造層ＥＭ内に設けることができる。従って、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ２０を提供することができる。
図９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、発光構造層ＥＭ１と第２の反射鏡１９との間に形成され、領域間で異なる屈折率を有する絶縁層（第２の絶縁層）３１を有する点を除いては、面発光レーザ２０と同様の構成を有する。
面発光レーザ３０においては、絶縁層３１は、透光電極層１７上に形成され、非イオン注入領域２１Ｂ上に凸部３２Ａを有する高屈折率絶縁層３２と、凸部３２Ａを露出させつつ高屈折率絶縁層３２上に形成され、高屈折率絶縁層３２よりも低い屈折率を有する低屈折率絶縁層３３と、を有する。高抵抗絶縁層３２は、例えば、Ｎｂ2Ｏ5からなる。また、低屈折率絶縁層３３は、例えばＳｉＯ2からなる。
本実施例においては、発光構造層ＥＭ１内に加え、その外部に形成された絶縁層３１によって、中央領域Ｒ１、環状領域Ｒ２及び外側領域Ｒ３間の屈折率差が設けられている。これによって、例えば、低抵抗領域ＬＲ及び高抵抗領域ＨＲを発光構造層ＥＭ１によって優先的かつ確実に画定し、低屈折率領域及び高屈折率領域を絶縁層３１によって画定及び補強することができる。従って、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ３０を提供することができる。
図１０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、発光構造層ＥＭ２及び低抵抗領域ＬＲの構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。
面発光レーザ４０においては、発光構造層ＥＭ２は、環状の領域を残してドライエッチングが行われたエッチング部４１Ａを有するｐ型半導体層４１を有する。ｐ型半導体層４１におけるエッチングが行われていない環状の上面領域は、凸部４１Ｂとなる。
ｐ型半導体層４１などの不純物を含む半導体は、ドライエッチングを行うことによって、その表面が粗面化される。これによって、エッチング部４１Ａにおけるｐ型の不純物が不活性化される。すなわち、ｐ型半導体層４１は、エッチング部４１Ａの領域にｐ型の不純物が不活性化された不活性化領域４１Ｃを有する。従って、不活性化領域４１Ｃは、高抵抗領域ＨＲとして機能する。
また、本実施例においては、エッチング部４１Ａにおいては、ｐ型半導体層４１が部分的に除去される。従って、エッチング部４１Ａ以外の領域は、エッチング部４１Ａから突出した凸部４１Ｂとなる。また、エッチング部４１Ａにおいては、一般的に半導体層における金属との界面に設けられるコンタクト層が除去されている。従って、例えば実施例１のように絶縁層１６を設けなくても、エッチング部４１Ａは、十分に高抵抗化される。
従って、まず、電流は凸部４１Ｂのみから発光構造層ＥＭ２に注入される。また、エッチング部４１Ａと凸部４１Ｂとの間でｐ型半導体層４１の層厚が異なる。従って、共振器ＯＣの等価屈折率、すなわち共振器ＯＣ内の光学距離に差を設けることができる。
なお、低抵抗領域ＬＲを設けることを考慮すると、ｐ型半導体層４１が選択的に不活性化領域４１Ｃを有していればよい。従って、ｐ型半導体層４１は、ドライエッチングが行われたエッチング部４１Ａを有する場合に限定されない。例えば、イオン注入が行われることで不活性化領域４１Ｃが形成されてもよいし、アッシング処理が行われることで不活性化領域４１Ｃが形成されていてもよい。
本実施例においては、発光構造層ＥＭ２のｐ型半導体層（第２の半導体層）４１は、環状の領域を残してｐ型の不純物が不活性化された不活性化領域４１Ｃを有する。そして、ｐ型半導体層４１の不純物が不活性化されていない領域４１Ｂは、低抵抗領域ＬＲとして機能する。
このように、例えばエッチングを選択的に行ってｐ型半導体層４１を部分的に不活性化させることによっても、電気抵抗及び屈折率に差を設けることができる。従って、低抵抗領域ＬＲを発光構造層ＥＭ内に設けることができる。従って、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ４０を提供することができる。
図１１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、発光構造層ＥＭ３及び低抵抗領域ＬＲの構成を除いては、面発光レーザ１０と同様の構成を有する。
面発光レーザ５０においては、発光構造層ＥＭ３は、ｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂ上に環状に設けられたトンネル接合層５１と、トンネル接合層５１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）５２と、を有する。また、発光構造層ＥＭ３は、トンネル接合層５１及びｎ型半導体層５２の側面を取り囲み、トンネル接合層５１及びｎ型半導体層５２よりも低い屈折率を有するｎ型半導体層（第３のｎ型半導体層又は第４の半導体層）５３と、を有する。
トンネル接合層５１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。
また、本実施例においては、ｎ型半導体層５３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５３は、ｎ型半導体層５２、トンネル接合層５１及びｐ型半導体層１５の凸部１５Ｂの平均屈折率よりも低い屈折率を有する。
従って、本実施例においては、トンネル接合層５１が抵抗領域ＬＲとして機能する。本実施例においては、すなわち、発光構造層ＥＭ３は、ｐ型半導体層１５（第２の半導体層）上において環状に形成され、低抵抗領域ＬＲとして機能するトンネル接合層５１を有する。また、ｎ型半導体層５３が中央領域Ｒ１及び外側領域Ｒ３を画定する。
本実施例のように、トンネル接合による電流狭窄を行い、またその領域を環状に設けることによっても、発光構造層ＥＭ３内に低抵抗領域ＬＲを形成することができる。また、低抵抗領域ＬＲ以外の領域の屈折率を低くすることで、中央領域Ｒ１、環状領域Ｒ２及び外側領域Ｒ３を画定することができる。従って、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ５０を提供することができる。
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３０と同様の絶縁層３１を有していてもよい。また、例えば、面発光レーザ４０が不活性化領域４１Ｃ上に絶縁層１６を有していてもよい。
上記したように、例えば、面発光レーザ１０は、発光構造層ＥＭが第１及び第２の反射鏡１２及び１９間において環状に設けられた低抵抗領域（電流注入領域ＣＪ）を有する。これによって、安定した横モードの光を出射することが可能な面発光レーザ１０（垂直共振器型発光素子）を提供することができる。
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、２０、３０、４０、５０ 面発光レーザ（垂直共振器型発光素子）
ＥＭ、ＥＭＡ、ＥＭＢ、ＥＭＣ、ＥＭ１、ＥＭ２、ＥＭ３ 発光構造層
１４ 発光層
ＬＲ 低抵抗領域

Claims (9)

  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、発光層を含む発光構造層と、
    前記発光構造層上に形成され、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、
    前記発光構造層は、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において環状に設けられた低抵抗領域と、前記低抵抗領域の内側に形成され、前記低抵抗領域よりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域と、を有し、
    前記共振器は、前記発光構造層の前記低抵抗領域に対応して前記第１及び第２の多層膜反射鏡間に延びる環状領域と、前記環状領域の内側において前記高抵抗領域に対応して設けられた中央領域と、前記環状領域の外側に設けられた外側領域と、を有し、
    前記中央領域及び前記外側領域は、前記環状領域よりも低い等価屈折率を有することを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  2. 前記発光層から放出される光の波長λとし、前記波長λに対する前記環状領域の等価屈折率を屈折率ｎλとし、４４５ｎｍの波長に対する前記環状領域の等価屈折率を屈折率ｎ445とした場合、前記低抵抗領域の幅Ｗ１は、Ｗ１≧２．８５×（λ／０．４４５）×（ｎλ／ｎ445）［μｍ］の関係を満たす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。
  3. 前記低抵抗領域の内側の前記高抵抗領域の幅は、前記発光層でのキャリアの拡散長の２倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
  4. 前記発光構造層は、前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された前記発光層と、前記発光層上に形成され、前記第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、
    前記第２の半導体層は、上面と、前記上面から環状に突出する凸部とを有し、
    前記第２の半導体層の前記上面は、絶縁層に覆われることで前記高抵抗領域として機能し、
    前記第２の半導体層の前記凸部は、電極に接触することで前記低抵抗領域として機能することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
  5. 前記発光構造層は、前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された前記発光層と、前記発光層上に形成され、前記第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、
    前記第２の半導体層は、環状の領域を残してイオンが注入されたイオン注入領域を有し、
    前記第２の半導体層の前記イオンが注入されていない領域は、前記低抵抗領域として機能することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
  6. 前記発光構造層は、前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された前記発光層と、前記発光層上に形成され、前記第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、
    前記第２の半導体層は、環状の領域を残して前記第２の半導体層の不純物が不活性化された不活性化領域を有し、
    前記第２の半導体層の前記不純物が不活性化されていない領域は、前記低抵抗領域として機能することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
  7. 前記発光構造層は、前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された前記発光層と、前記発光層上に形成され、前記第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に環状に形成され、前記低抵抗領域として機能するトンネル接合層と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
  8. 前記第２の半導体層の層厚は、前記発光層でのキャリアの拡散長の２倍以下であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
  9. 前記環状領域は、前記発光構造層上面に垂直な方向から見たときに楕円環状、矩形環状、十字を囲む環状のいずれか一つの形状を有す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。
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