JP2017204579A - 垂直共振器型発光素子及び垂直共振器型発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リーク電流が少なく低抵抗の電流狭窄構造及び電流経路を有し、横モード安定性、信頼性が高く長寿命の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た、第１半導体層１２と、活性層１５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第２半導体層２１と、第２半導体層上に形成されたトンネル接合層２２と、トンネル接合層上に形成され、第２半導体層と反対の導電型を有する第３半導体層２３と、第３半導体層上に第１反射鏡に対向して配された第２反射鏡２４と、を有し、第２半導体層及び第３半導体層は、トンネル接合層によって第２半導体層及び第３半導体層の全体に渡って互いに分離され、第１反射鏡、第２反射鏡、第１半導体層、第２半導体層、及び第３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半導体層１４Ｒ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及びその製造方法に関する。

埋め込みトンネル接合を用いた電流狭窄構造を有するｎｐｎ型の窒化物半導体発光素子が知られている。例えば、特許文献１には、電流が狭窄して流れる領域を残して除去された埋め込みトンネル接合層に関して、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除くｐ型窒化物層をｐ型不活性化してリーク電流を抑制した電流狭窄構造が開示されている。また、特許文献２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。

国際公開第2015/129610号パンフレット 国際公開第2014/167965号パンフレット

例えば特許文献１のような埋め込みトンネル接合層を有した構造の製造方法は、トンネル接合層の電流が狭窄して流れる領域以外の領域をエッチング除去し、その上にｎ型半導体層を積層してトンネル接合層を埋め込む工程を有している。このように、エッチングされた表面上に半導体層を積層する際に、膜厚の制御が困難である。また、エッチングされた表面とその表面上に成膜する半導体層との界面において、欠陥が発生しやすく、結晶性が低下するなどの不具合によりリーク電流が発生し易くなり、高い歩留りを得ることが困難であった。また、特許文献２のような構造の面発光レーザにおいて、ＩＴＯ透明電極による光吸収による光の損失や電気抵抗により、高出力化が困難であった。従って、閾値電流や素子の電気抵抗、動作電圧も含め、半導体発光素子としての安定性上、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、リーク電流が少なく低抵抗の電流狭窄構造及び電流経路を有し、信頼性が高く長寿命の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。また、横モード制御性に優れ、光の損失が少なく高出力の導体発光素子を提供することを目的としている。また、成膜工程における膜厚や膜質の制御性が高く、高効率で信頼性の高い垂直共振器型発光素子の製造方法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トンネル接合層と、トンネル接合層上に形成され、第２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３半導体層と、第３半導体層上に第１反射鏡に対向して配された第２反射鏡と、を有し、第２半導体層及び第３半導体層は、トンネル接合層によって第２半導体層及び第３半導体層の全体に渡って互いに分離され、第１反射鏡、第２反射鏡、第１半導体層、第２半導体層、及び第３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半導体層を有する。

また、本発明の垂直共振器型発光素子の製造方法において、半導体ＤＢＲ層からなる第１反射鏡を形成し、第１反射鏡上に、少なくとも１の半導体層からなる第１半導体層を形成し、第１半導体層上に活性層を形成し、活性層上に、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半導体層を形成し、第２半導体層上にトンネル接合層を形成し、トンネル接合層上に、第２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３半導体層を、第２半導体層及び第３半導体層が、トンネル接合層によって第２半導体層及び第３半導体層の全体に渡って互いに分離されるように形成し、第３半導体層上に第１反射鏡に対向する第２反射鏡を形成し、第１反射鏡、第２反射鏡、第１半導体層、第２半導体層及び第３半導体層のうち少なくとも１に、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半導体層を形成する。

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。 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。 図１の部分拡大断面図である。 図３（ａ）の変形例を示す部分拡大断面図である。 図３（ａ）の変形例を示す部分拡大断面図である。 図１（ａ）の部分拡大断面図である。 図４（ａ）の変形例を示す部分拡大断面図である。 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５（ａ）の部分拡大断面図である。 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。 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。 実施例５の垂直共振器型発光素子を模式的に示す断面図である。 本発明の垂直共振器型発光素子の製造方法を示すフローチャートである。

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。

本実施例に係る半導体発光素子は、垂直共振器型発光素子であり、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０と称する。面発光レーザ１０について、図１乃至図４を参照して説明する。図１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る。図２は、面発光レーザ１０を模式的に示す上面図である。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。
[面発光レーザ１０の構成]
図１に示すように、面発光レーザ１０は、第１半導体層１２、活性層１５、第２半導体層２１、トンネル接合層２２、第３半導体層２３からなる半導体構造層２７を有する。また、面発光レーザ１０は、半導体構造層２７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２４を有する。第１反射鏡１１、第１半導体層１２、活性層１５、第２半導体層２１、トンネル接合層２２、第３半導体層２３がこの順に、下地層１６上に形成されている。下地層１６はアンドープＧａＮ層であり、ＧａＮからなる基板１７上に形成されている。

第３半導体層２３上には、第３半導体層２３に電気的に接続された上部ｎ電極２５が設けられている。第１半導体層１２が有するｎ型半導体層１３Ａ上には、ｎ型半導体層１３Ａに電気的に接続された下部ｎ電極２６が設けられている。図１は、図２の上面図に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２の上面図における上部ｎ電極２５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１５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、ＡｌＩｎＮ層Ａ１及びＧａＮ層Ｂ１が交互に積層されて形成されている。ＡｌＩｎＮ層Ａ１及びＧａＮ層Ｂ１が交互に積層される積層数は、所望の反射率に応じて設定することができる。例えばＡｌＩｎＮ層Ａ１と、ＧａＮ層Ｂ１とを交互に積層して４０．５ペア（すなわち、ＡｌＩｎＮ層Ａ１が４１層、ＧａＮ層Ｂ１が４０層）とすることができる。なお、本実施例において、ＡｌＩｎＮ層Ａ１及びＧａＮ層Ｂ１には不純物はドープされていない。

ｎ型半導体層（第１半導体層）１３は、例えばＳｉをドープしたｎ−ＧａＮである。
活性層１５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（第２半導体層）２１はｐ型半導体層２１Ａ及びｐ型半導体層２１Ｂからなる。ｐ型半導体層２１Ａは例えばＭｇドープＡｌＧａＮ電子障壁層であり、ｐ型半導体層２１Ｂは例えば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１３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２１は、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２１はＭｇドープしたｐ−ＧａＮ層のみから構成されていても良い。なお、本実施例において、ｎ型半導体層１３が２層に分かれて形成されている場合において、一方をｎ型半導体層１３Ａ、他方をｎ型半導体層１３Ｂと称する。

トンネル接合層２２は、高濃度ｐ型半導体層２２Ａ及び高濃度ｎ型半導体層２２Ｂがこの順にｐ型半導体層２１上に形成されている。高濃度ｐ型半導体層２２Ａは、例えば高濃度のＭｇがドープされたＧａＩｎＮ層である。高濃度ｐ型半導体層２２Ａの不純物としてのＭｇ濃度は、例えば５×１０¹⁹ｃｍ^-3〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度、より詳細には、１×１０²⁰ｃｍ^-3〜３×１０²⁰ｃｍ^-3程度が好ましい。

高濃度ｎ型半導体層２２Ｂは、例えば高濃度のＳｉがドープされたＧａＮ層である。高濃度ｎ型半導体層２２Ｂの不純物としてのＳｉ濃度は、例えば１×１０²⁰ｃｍ^-3〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度、より詳細には、３×１０²⁰ｃｍ^-3〜６×１０²⁰ｃｍ^-3程度が好ましい。

トンネル接合層２２上に、ｎ型半導体層（第３半導体層）２３が形成されている。すなわち、第３半導体層（ｎ型半導体層）２３は、第２半導体層（ｐ型半導体層）２１に対して、反対の導電型を有している。ｎ型半導体層２３は、トンネル接合層２２上に形成されており、第２半導体層２１及び第３半導体層２３は、トンネル接合層２２によって、第２半導体層２１及び第３半導体層２３の全体に渡って互いに分離されて設けられている。

図３（ａ）は、図１の破線に囲まれた部分Ｒを示す部分拡大図である。本実施例においては、図３（ａ）に示すように、第２半導体層２１、トンネル接合層２２及び第３半導体層２３は、共通の側壁（本実施例において、円柱形状の側壁）を有している場合について説明するが、これに限らない。

例えば、図３（ｂ）に示すように、第３半導体層２３が、トンネル接合層２２及び第２半導体層２１に対して窪んで形成されていてもよい。すなわち、第３半導体層２３は、トンネル接合層２２及び第２半導体層２１の共通の側壁に対して、窪んだ側壁を有していてもよい。また、図３（ｃ）に示すように、第３半導体層２３及びトンネル接合層２２の共通の側壁が、第２半導体層２１の側壁に対して、窪んだ側壁を有していてもよい。

つまり、共通の側壁を有しているか否かに関わらず、第２半導体層２１及び第３半導体層２３が、トンネル接合層２２によって、第２半導体層２１及び第３半導体層２３の全体に渡って互いに分離されて設けられていればよい。なお、第３半導体層としてのｎ型半導体層２３は、少なくとも１の半導体層から構成されていればよい。本実施例において、ｎ型半導体層２３は、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮ層として説明する。

ｎ型半導体層２３上には、第２反射鏡２４が配されている。本実施例において、第２反射鏡２４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構成されている。本実施例において第２反射鏡２４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、ＳｉＯ₂層Ａ２とＮｂ₂Ｏ₅層Ｂ２とが交互に積層されている。第２反射鏡２４は、他にＡｌ₂Ｏ₃層とＮｂ₂Ｏ₅、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４（ａ）は、図１に示す第１半導体層１２の破線で囲まれた部分Ｒ２を拡大して示す部分拡大図である。第１半導体層１２は、ｎ型半導体層１３Ａ及びｎ型半導体層１３Ｂから構成されている。本実施例において、第１半導体層１２は、ｎ型半導体層１３の側壁よりも内側に窪んだ側壁ＲＳを有する半導体層１４Ｒを有している。

すなわち、窪んだ半導体層１４Ｒは、半導体層１４Ｒに隣接し、半導体層１４Ｒを挟む上層のｎ型半導体層１３Ｂ及び下層のｎ型半導体層１３Ａ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Ｇ１４が形成されている。なお、図４（ｂ）に示すように、半導体層１４Ｒの上層は、活性層１５であってもよい。また、本実施例において、内側に窪んだ半導体層１４Ｒ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１４Ｒは、例えば、ｎ型半導体層１３と共通の側壁を有する半導体層（半導体層１４と称する）に対するウェットエッチングにより形成できる。ｎ型半導体層１３及び半導体構造層２７に対するエッチングレートよりも半導体層１４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、ｎ型半導体層１３Ａ及びｎ型半導体層１３Ｂを含む半導体構造層２７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１４Ｒ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１４Ｒを形成できる半導体層として、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１４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。

[面発光レーザ１０の電流狭窄構造]
次に、面発光レーザ１０の電流狭窄構造について説明する。トンネル接合層２２は、トンネルダイオードの特性を有するトンネル接合を有している。トンネル接合では、一般にダイオードが示す整流特性と異なり、ｎ層からｐ層に向かって低い抵抗で電流が流れ得る。従って、トンネル接合層２２において、高濃度ｎ型半導体層２２Ｂから高濃度ｐ型半導体層２２Ａに向かって電流を流すことができる。すなわち、上部ｎ電極２５から下部ｎ電極２６に電流を流すことができる。

上部ｎ電極２５からの電流は、ｎ型半導体層２３を横方向に広がって流れ、トンネル接合層２２を低い抵抗で通過し、ｐ型半導体層２１に流れる。ｐ型半導体層２１、活性層１５、ｎ型半導体層１２を通過した電流は、窪んだ半導体層１４Ｒによって電流狭窄される。間隙Ｇ１４には半導体層が存在せず、例えば空気が存在する。従って、電流は間隙Ｇ１４には流れずに、窪んだ半導体層１４Ｒの領域に流れ、電流は狭窄される。

すなわち、面発光レーザ１０に流れる電流は、ｎ型半導体層２３及びトンネル接合層２２を横方向に広がって低抵抗で流れ、窪んだ半導体層１４Ｒによって効率良く電流狭窄される。

一方、トンネル接合層２２は、電流狭窄構造ではない。例えば、トンネル接合層のドライエッチングによる電流狭窄層、及び当該ドライエッチングされた表面に半導体層を成長させた埋め込み層よる電流狭窄構造において、ドライエッチング層と埋め込み層の界面（特に側壁）に欠陥が生じ易い。そして、欠陥の生じた当該界面付近に電流が流れ易くなり、リークパスとなる場合がある。しかし、本実施例のトンネル接合層２２においては、下層である第２半導体層２１の表面の全体に渡ってトンネル接合層２２が形成されている。また、トンネル接合層２２上の全面に渡って形成された上層としての第３半導体層２３を有しており、リークパスが生じ得るような構成を有していない。

また、上記した構成とは別の電流狭窄構造として、透明電極及び絶縁層を用いた電流狭窄構造が挙げられる。透明電極及び絶縁層を用いた電流狭窄構造において、例えばＩＴＯなどの透明電極はｐ型半導体層に接触して設けられている。当該透明電極は、ｐ型半導体層との間の接触抵抗が高いこと、透明電極による光吸収が大きいことなどが、面発光レーザの特性の劣化に繋がる場合がある。

しかし、面発光レーザ１０においては、トンネル接合層２２及び窪んだ半導体層１４Ｒによる電流狭窄構造を有しており、透明電極及び絶縁層による電流狭窄構造は有していない。ｐ型半導体層２１には、トンネル接合層２２からの電流が流れる。従って、透明電極による光吸収や透明電極とｐ型半導体層２１との間の接触抵抗は生じない。従って、面発光レーザ１０は、リーク電流が少なく低抵抗の電流狭窄構造及び電流経路を有している。また、面発光レーザ１０は、レーザ光の経路における光の吸収も少なく、高出力で発振特性に優れている。

加えて、窪んだ半導体層１４Ｒは横モード制御の機能も有している。活性層１５から放出される光は、第１反射鏡１１と第２反射鏡２４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２４あるいは第１反射鏡１１を透過して外部に取り出される。従って、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２４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１５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２４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４（ａ）に示すように、ｎ型半導体層１２において、活性層１５から放出される光の経路内に、内側に窪んだ半導体層１４Ｒ及び間隙Ｇ１４が存在する。間隙Ｇ１４は、窪んだ半導体層１４Ｒよりも低い屈折率を有している。従って、レーザ光のフィールドは、窪んだ半導体層１４Ｒに閉じ込められ、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。なお、間隙１４は、空隙（空気が存在）あるいは半導体層１４Ｒよりも低屈折率の材料などが充填されていてもよい。

また、図４（ａ）に示すように、窪んだｎ型半導体層１４Ｒと活性層１５との層厚方向の距離Ｄをとする。このとき、窪んだｎ型半導体層１４Ｒは、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１０の発振波長、ｎ_avは活性層１５と窪んだｎ型半導体層１４Ｒ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１５及び窪んだｎ型半導体層１４Ｒ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１５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１４Ｒ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。

以上、説明したように、面発光レーザ１０は、窪んだ半導体層１４Ｒに電流が集中して流れる電流狭窄構造を有しており、リーク電流が少ない構造を有している。また、トンネル接合層２２によって低抵抗の電流経路が確保されている。従って、安定性の高い電流経路を確保することができ、長寿命で信頼性の高い面発光レーザ１０を提供することができる。また、横モード制御性に優れ、効率良くレンズやファイバへ結合することができ、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。従って、発振特性、安定性、信頼性に優れた面発光レーザ１０を提供することができる。

なお、窪んだ半導体層１４Ｒがｎ型半導体層１２に設けられている例について説明したが、これに限らない。ｐ型半導体層２１又はｎ型半導体層２３に設けられていても良い。つまり、第１半導体層（ｎ型半導体層）１２、第２半導体層（ｐ型半導体層）２１、第３半導体層（ｎ型半導体層）２３のうち少なくとも１に設けられていればよい。なお、窪んだ半導体層１４Ｒは、活性層１５からの積層方向の距離Ｄ（図４（ａ）参照）が小さい位置に設けることが好ましい。

また、窪んだｎ型半導体層１４Ｒ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１４Ｒは、窪んだｎ型半導体層１４Ｒの上層又は下層との界面で高濃度となるように不純物が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１４Ｒは、窪んだｎ型半導体層１４Ｒ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。

本実施例においては、第１反射鏡１１、半導体構造層２７、第２反射鏡２４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１４Ｒも半導体積層体ＬＹと同軸の回転対称形状を有している。具体的には、半導体積層体ＬＹ及び窪んだ半導体層１４Ｒは同軸の円柱形状を有している。

なお、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１４Ｒ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、これに限らない。窪んだ半導体層１４Ｒ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、面発光レーザ１０によれば、リーク電流が少なく低抵抗の電流狭窄構造及び電流経路を有していることで、信頼性が高く、長寿命の面発光レーザを提供することができる。また、光の損失が少なく、横モード制御性に優れ、発振特性、安定性、信頼性に優れた面発光レーザを提供することができる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照し、実施例２に係る面発光レーザ３０について説明する。図５（ａ）は、面発光レーザ３０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。
[面発光レーザ３０の構成]
図５（ａ）に示すように、面発光レーザ３０は、第１半導体層３２、活性層１５、第２半導体層２１、トンネル接合層２２、第３半導体層２３からなる半導体構造層４７を有する。また、面発光レーザ３０は、半導体構造層４７を介して互いに対向して配置された第１反射鏡３１及び第２反射鏡２４を有する。

第１反射鏡３１、第１半導体層３２、活性層１５、第２半導体層２１、トンネル接合層２２、第３半導体層２３がこの順に、ｎ型下地層３６上に形成されている。ｎ型下地層３６はＳｉがドープされたｎ−ＧａＮ層であり、ｎ−ＧａＮからなるｎ型基板３７上に形成されている。第３半導体層２３上には、第３半導体層２３に電気的に接続された上部ｎ電極２５が設けられている。また、ｎ型下地層３６に電気的に接続された下部ｎ電極４６が設けられている。

第１反射鏡３１は、実施例１の第１反射鏡１１と同様に、半導体ＤＢＲであり、第１組成の半導体層Ａ３及び半導体層Ａ３とは異なる屈折率を有する第２組成の半導体層Ｂ３から構成されている。第１反射鏡３１は、第１組成の半導体層Ａ３及び第２組成の半導体層Ｂ３にそれぞれ不純物がドープされてｎ型半導体層となっている点において、実施例１の第１反射鏡１１と異なっている。本実施例において、第１組成の半導体層Ａ３は、Ｓｉがドープされたｎ−ＡｌＩｎＮであり、第２組成の半導体層Ｂ３は、Ｓｉがドープされたｎ−ＧａＮである。つまり、第１反射鏡３１は、ｎ−ＡｌＩｎＮ層Ａ３及びｎ−ＧａＮ層Ｂ３が交互に複数層積層されて形成されている。

図５（ｂ）は、図５（ａ）中の破線で囲まれた部分Ｒ３を拡大して示す部分拡大断面図である。上記したように、第１反射鏡３１は、第１組成の半導体層Ａ３及び第２組成の半導体層Ｂ３が交互に複数層積層されて形成されている。このうち活性層１５に近い方から少なくとも１層の半導体層Ａ３は、半導体層Ａ３を挟む半導体層Ｂ１の側壁よりも内側に窪んだ側壁ＲＳ２を有している。以下においては、側壁ＲＳ２を有する半導体層Ａ３を半導体層Ａ３Ｒとして説明する。すなわち、半導体層Ａ３Ｒは、半導体層Ａ３Ｒを挟む半導体層Ｂ３、すなわち半導体層Ａ３Ｒに隣接し、半導体層Ａ３Ｒを挟む上層の半導体層Ｂ３及び下層の半導体層Ｂ３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ＲＳ２の外側には、上層の半導体層Ｂ３及び下層の半導体層Ｂ３に挟まれた間隙Ｇ３１が形成されている。

当該内側に窪んだ半導体層Ａ３Ｒ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Ｂ３及び半導体構造層４７に対するエッチングレートよりも半導体層Ａ３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Ｂ３及び半導体構造層４７よりも内側に窪んだ側壁ＲＳ２が形成され、内側に窪んだ半導体層Ａ３Ｒを形成することができる。

[面発光レーザ３０の電流狭窄構造]
上記したように、トンネル接合層２２において、高濃度ｎ型半導体層２２Ｂから高濃度ｐ型半導体層２２Ａに向かって電流を流すことができる。上部ｎ電極２５からの電流は、ｎ型半導体層２３を横方向に広がって流れ、トンネル接合層２２を低い抵抗で通過し、ｐ型半導体層２１に流れる。本実施例において、ｐ型半導体層２１からの電流は、活性層１５及び第１半導体層３２を通り、第１反射鏡３１、ｎ型下地層３６、及びｎ型基板３７を通って下部ｎ電極４６に流れる。従って、上部ｎ電極２５から下部ｎ電極４６に向かって電流を流すことができる。

ｎ型半導体層３２を通過した電流は、第１反射鏡３１に流れ、窪んだ半導体層Ａ３Ｒによって電流狭窄される。すなわち、電流は第１反射鏡３１が有する間隙Ｇ３１には流れず、窪んだ半導体層Ａ３Ｒの領域に集中して流れる。つまり、面発光レーザ３０は、ｎ型半導体層２３及びトンネル接合層２２を横方向に広がって低抵抗で流れる電流が、窪んだ半導体層Ａ３Ｒによって狭窄される電流狭窄構造を有している。

一方、上述したように、トンネル接合層２２は、電流狭窄構造ではなく、リークパスが生じ得るような構成を有していない。また、面発光レーザ３０は、ｐ型半導体層との間の接触抵抗が高く、光吸収が大きい透明電極を用いた電流狭窄構造なども有していない。従って、本実施例の電流狭窄構造は、リーク電流が少なく、低抵抗の電流狭窄構造である。従って、面発光レーザ３０によって、長寿命で、高出力の信頼性が高い面発光レーザ３０を提供することができる。

加えて、窪んだ半導体層Ａ３Ｒは横モード制御の機能も有している。面発光レーザ３０は、ｎ型基板３７に対して垂直な方向にレーザ光を出射する。また、上述したように、第１反射鏡３１及び第２反射鏡２４を構成する各層の層厚は、活性層１５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設計されており、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、図５（ｂ）に示すように、第１反射鏡３１において、活性層１５から放出される光の経路内に、内側に窪んだ半導体層Ａ３Ｒ及び間隙Ｇ３１が存在する。半導体層Ｂ３同士が間隙Ｇ３１によって隔てられている領域においては、半導体層Ｂ３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。従って、活性層１５から放出された光は、窪んだ半導体層Ａ３Ｒと窪んだ半導体層Ａ３Ｒに隣接する半導体層Ｂ３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Ａ３Ｒと半導体層Ａ３Ｒに隣接する半導体層Ｂ３（窪んだ半導体層Ａ３Ｒが２層以上設けられた場合においては、半導体層Ａ３Ｒに挟まれた半導体層Ｂ３）とが構成する領域ＣＲは、その外側の領域（間隙Ｇ３１を含む領域）よりも屈折率が高い。従って、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。従って、本実施例において、レーザ光は、窪んだ半導体層Ａ３Ｒによって横モードが制御されて出射される。なお、間隙３１は、空隙（空気が存在）あるいは半導体層Ａ３よりも低屈折率の材料などが充填されていてもよい。

以上、説明したように、面発光レーザ３０は、トンネル接合層２２と内側に窪んだ半導体層Ａ３Ｒが形成されていることで、リーク電流が少なく、低抵抗の電流狭窄構造を有している。また、窪んだ半導体層Ａ３Ｒにより、レーザ光の横モード制御がなされる。従って、長寿命で高出力の信頼性が高い面発光レーザ３０を提供することができる。また、レンズやファイバへの結合効率が良く、発振特性に優れた面発光レーザ３０を提供することができる。

なお、本実施例において、窪んだ半導体層Ａ３Ｒが１層設けられた例について説明したが、２層以上設けても良い。また、第１反射鏡３１を形成する半導体層Ａ３のうち、窪んだ半導体層Ａ３Ｒを形成しない層については、選択的エッチングにより窪んだ半導体層Ａ３Ｒを形成する際に、半導体層Ａ３の側面をレジストなどで保護して形成すれば良い。

また、窪んだ半導体層Ａ３Ｒ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、窪んだ半導体層Ａ３Ｒは、窪んだ半導体層Ａ３Ｒの上層又は下層との界面で高濃度となるように不純物がドープされていることが好ましい。より詳細には、窪んだ半導体層Ａ３Ｒは、窪んだ半導体層Ａ３Ｒ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。

本実施例においては、第１反射鏡３１、半導体構造層４７、第２反射鏡２４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。本実施例において、半導体積層体ＬＹ２及び窪んだ半導体層Ａ３Ｒは同軸の円柱形状を有している。

なお、半導体積層体ＬＹ２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Ａ３Ｒ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、これに限らない。窪んだ半導体層Ａ３Ｒ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、本実施例の面発光レーザ１０によれば、安定性、信頼性が高く、長寿命の面発光レーザを提供することができる。また、光の損失が少なく、横モード制御性に優れ、発振特性に優れた面発光レーザを提供することができる。

実施例１及び２において、第２反射鏡として誘電体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を参照し、実施例３に係る面発光レーザ５０について説明する。面発光レーザ５０において、実施例１の面発光レーザ１０及び実施例２の面発光レーザ３０と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。実施例２の面発光レーザ３０と比較して、面発光レーザ５０は、第２反射鏡として半導体ＤＢＲを採用している点、及び第２反射鏡に窪んだ半導体層Ａ４Ｒを設けている点において相違している。

図６に示すように、面発光レーザ５０は、半導体構造層４７を介して互いに対向して配置された第１反射鏡３１及び第２反射鏡６４を有する。第３半導体層２３上に、第２反射鏡６４が配されている。第２反射鏡６４上に、第２反射鏡６４に電気的に接続された上部ｎ電極６５が設けられている。

第２反射鏡６４は、第３組成の半導体層Ａ４と、半導体層Ａ４とは異なる屈折率を有する第４組成の半導体層Ｂ４とが交互に積層されて構成されている。本実施例において、第２反射鏡６４は、不純物がドープされたｎ型の半導体ＤＢＲからなる。第３組成の半導体層Ａ４は例えばｎ−ＡｌＩｎＮからなり、第４組成の半導体層Ｂ４は、例えばｎ−ＧａＮからなる。第２反射鏡６４は、内側に窪んだ側壁ＲＳ３を有する半導体層Ａ４Ｒを有し、側壁ＲＳ３の外側に間隙Ｇ４１を有している。第２反射鏡６４を構成する第３組成の半導体層Ａ４のうち少なくとも１層が、窪んだ半導体層Ａ４Ｒとして形成されている。

本実施例において、上部ｎ電極６５からの電流は、トンネル接合層２２の特性によって、下部ｎ電極４６に向かって流れる。より詳細には、ｎ型半導体層２３から、トンネル接合層２２を通り、ｐ型半導体層２１へ電流が流れ、上部ｎ電極６５から下部ｎ電極４６に向かう方向に電流が流れる。上部ｎ電極６５からの電流は、窪んだ半導体層Ａ４Ｒにおいて電流狭窄される。電流狭窄された電流が、ｎ型半導体層２３、トンネル接合層２２、ｐ型半導体層２１を通って、活性層１５に到達する。狭窄された電流が活性層に流れることによって、効率良く活性層１５からの放射光を出射させることができる。

また、本実施例において、第２半導体層２１、トンネル接合層２２及び第３半導体層２３は、共通の側壁を有している。従って、トンネル接合層２２は、電流狭窄構造ではなく、リーク電流が生じ得るような構成も有していない。また、面発光レーザ５０は、ｐ型半導体層２１との間の接触抵抗が高い構造や、光吸収が大きい構造を有していない。従って、本実施例の電流狭窄構造は、リーク電流が少なく、低抵抗の電流狭窄構造である。

また、本実施例において、活性層１５からの出射光は、窪んだ半導体層Ａ４Ｒと窪んだ半導体層Ａ４Ｒに挟まれた（又は隣接する）半導体層Ｂ４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Ａ４Ｒは面発光レーザ５０の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。

以上、説明したように、本実施例の面発光レーザ５０によれば、狭窄された電流を低抵抗な電流経路を経て活性層に流すことができ、効率の良い電流狭窄構造を得ることができる。従って、リーク電流が少なく低抵抗の高効率な電流狭窄構造及び電流経路を確保することができる。また、横モード制御性にも優れ、高信頼性、かつ、高出力な面発光レーザを提供することができる。

実施例１の改変例として、内側に窪んだ半導体層を、第２半導体層２１に設けることもできる。図７を参照し、実施例４に係る面発光レーザ７０について説明する。実施例１の面発光レーザ１０と比較して、第２半導体層（ｐ型半導体層）２１に窪んだ半導体層２１Ｒが設けられている点、及び第１半導体層１２に窪んだ半導体層１４Ｒが設けられていない点が面発光レーザ１０と異なる。

第２半導体層２１は、２層に分かれて形成されており、２層のうち一方の層に対して基板１７に近い側に位置する下層を第２半導体層（ｐ型半導体層）２１Ａ、２１Ａに対して上層に位置する層を第２半導体層（ｐ型半導体層）２１Ｂと称する。第２半導体層２１Ｂ及び第３半導体層２３は、トンネル接合層２２によって、第２半導体層２１Ｂ及び第３半導体層２３の全体に渡って互いに分離されて設けられている。

また、窪んだ半導体層２１Ｒは、半導体層２１Ｒに隣接して半導体層２１Ｒを挟む上層の第２半導体層２１Ｂ及び下層の第２半導体層２１Ａ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。

本実施例において、上部ｎ電極２５からの電流は、トンネル接合層２２の特性によって、下部ｎ電極２６に向かって流れる。そして、ｎ型半導体層２３から、トンネル接合層２２を通り、ｐ型半導体層２１Ｂへ電流れる電流は、窪んだ半導体層２１Ｒにおいて電流狭窄される。電流狭窄された電流は、ｐ型半導体層２１Ａを通って活性層に流れる。ｐ型半導体層２１Ａにおいて、電流の広がりは、ｎ型半導体層と比較して小さい。従って、電流狭窄された電流は、大きく広がることなく活性層に到達し、高い効率で活性層１５からの放射光を出射させることができる。

また、本実施例において、第２半導体層２１Ｂ、トンネル接合層２２及び第３半導体層２３は、共通の側壁を有している。従って、トンネル接合層２２は、電流狭窄構造ではなく、リーク電流が生じ得るような構成も有していない。また、面発光レーザ７０は、ｐ型半導体層２１Ａ及びｐ型半導体層２１Ｂとの間の接触抵抗が高い構造や、光吸収が大きい構造を有していない。従って、面発光レーザ７０は、リーク電流が少なく、低抵抗の電流狭窄構造及び電流経路を有している。

加えて、ｐ型半導体層２１において、活性層１５から放出される光の経路内に、内側に窪んだ半導体層２１Ｒ及び間隙Ｇ２１が存在する。間隙Ｇ２１は、窪んだ半導体層２１Ｒよりも低い屈折率を有している。従って、レーザ光のフィールドは、窪んだ半導体層２１Ｒに閉じ込められ、横モード制御がなされる。

以上、説明したように、本実施例の面発光レーザ７０においても、リーク電流が少なく低抵抗の高効率な電流狭窄構造及び電流経路を確保することができる。また、横モード制御性にも優れ、信頼性が高く、長寿命の面発光レーザを提供することができる。

実施例１の別の改変例として、内側に窪んだ半導体層を、第３半導体層２３に設けることもできる。また、実施例１は、実施例２と組み合わせることができる。図８を参照し、実施例５に係る面発光レーザ８０について説明する。本実施例は、実施例２に係る面発光レーザ３０の構成に加えて、第３半導体層（ｎ型半導体層）２３に窪んだ半導体層２１Ｒが設けられて構成されている。

第２半導体層２３は、２層に分かれて形成されており、２層のうち一方の層に対してｎ型基板３７に近い側（下層）に位置する層を第３半導体層（ｎ型半導体層）２３Ａ、２３Ａに対して上層に位置する層を第３半導体層（ｎ型半導体層）２３Ｂと称する。第２半導体層２１及び第３半導体層２３Ａは、トンネル接合層２２によって、第２半導体層２１及び第３半導体層２３Ａの全体に渡って互いに分離されて設けられている。

また、窪んだ半導体層２３Ｒは、半導体層２３Ｒに隣接し、半導体層２３Ｒを挟む上層の第３半導体層２３Ｂ及び下層の第２半導体層２３Ａ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。

本実施例において、上部ｎ電極２５からの電流は、トンネル接合層２２の特性によって、下部ｎ電極４６に向かって流れる。上部ｎ電極２５からｎ型半導体層２３に注入された電流は、窪んだ半導体層２３Ｒにおいて低い抵抗で電流狭窄され、トンネル接合層２２を通り、ｐ型半導体層２１へ電流れる。ｐ型半導体層２１を通って活性層に流れる電流は、第１半導体層３２を通り、第１反射鏡が有する窪んだ半導体層Ａ３Ｒによって、再び狭窄される。従って、より高い効率で活性層１５からの放射光を出射させることができる。

また、本実施例において、第２半導体層２１、トンネル接合層２２及び第３半導体層２３Ａは、共通の側壁を有している。従って、トンネル接合層２２は、電流狭窄構造ではなく、リーク電流が生じ得るような構成も有していない。また、面発光レーザ８０は、ｐ型半導体層２１との間の接触抵抗が高い構造や、光吸収が大きい構造を有していない。従って、面発光レーザ８０は、リーク電流が少なく、低抵抗の電流狭窄構造及び電流経路を有している。

加えて、ｎ型半導体層２３において、活性層１５から放出される光の経路内に、内側に窪んだ半導体層２３Ｒ及び間隙Ｇ２３が存在する。間隙Ｇ２３は、窪んだ半導体層２３Ｒよりも低い屈折率を有している。従って、レーザ光のフィールドは、窪んだ半導体層２３Ｒに閉じ込められ、横モード制御がなされる。

以上、説明したように、本実施例の面発光レーザ８０においても、リーク電流が少なく低抵抗の高効率な電流狭窄構造及び電流経路を確保することができる。また、横モード制御性にも優れ、信頼性が高く、長寿命の面発光レーザを提供することができる。

なお、実施例１乃至５は、適宜組み合わせることができる。例えば、実施例１と実施例４とを組み合わせて、電流狭窄構造を二重に設けることができる。電流の狭窄を増大させ、より高い横モード制御性を得ることができる。

[面発光レーザ１０の製造方法]
図９を参照し、実施例１に係る面発光レーザ１０の製造方法について説明する。図９は面発光レーザ１０の製造工程の概要を示すフローチャートである。図９に示すように、面発光レーザ１０の製造工程において、まず、第１反射鏡１１及び半導体構造層２７を構成する半導体層を成長させる（ステップＳ１１）。

半導体層の成長は、本実施例においてＭＯＶＰＥ（Metal-organic Vapor Phase Epitaxy）装置を用いたエピタキシャル成長により行う。なお、本実施例では、結晶成長法としてＭＯＶＰＥ法を用いているが、ＭＯＶＰＥ法に代えて、例えばより低温で低速の結晶成長を行う場合などに分視線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いてもよい。

次に、レジストパターンをマスクとして、ドライエッチングにより半導体構造層２７をエッチングしてメサ形状を形成する（ステップＳ１２）。

続いて、活性化アニールによりｐ型半導体層２１を活性化し（ステップＳ１３）、ウェットエッチングにより窪んだ半導体層１４Ｒを形成する。具体的には、ステップＰ１４において、熱硝酸（例えば、処理温度１００℃）などのエッチング液を用いてｎ型半導体層１４の側面を選択的にエッチングすることで、内側に窪んだ半導体層１４Ｒを形成する。

その後、電極を形成する（ステップＳ１５）。具体的には、金属膜を積層することによって、上部ｎ電極２５及び下部ｎ電極２６を形成する。電極に用いる金属としては、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕなどが挙げられる。本実施例において、上部ｎ電極２５は、例えばＴｉ/Ａｌ/Ｔｉ/Ａｕを積層した構造を有している。上部電極２５は、第３半導体層２３上に（電流狭窄領域を内側に含む）リング状に形成される。

最後に、リフトオフ法などにより、第３半導体層２３上に第２反射鏡２４を配する（ステップＳ１６）。以上の工程を経て、面発光レーザ１０を製造する。

ステップＳ１１における第１反射鏡１１及び半導体構造層２７を構成する半導体層の成長工程の詳細について説明する。まず、ＧａＮ基板１７上に下地層１６として、アンドープＧａＮを例えば５００ｎｍ成長させる。例えば、基板温度を１０５０℃とし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びアンモニアガスを原料ガスとして供給する。なお、使用する基板は、Ｃ面基板でもよく、非極性面、半極性面や任意のオフ角を有していても良い。

次に、第１反射鏡１１を下地層１６上に形成する。本実施例においては、４１０ｎｍを中心波長として、４５ｎｍのＡｌＩｎＮ層と、１０ｎｍのＧａＮ層を交互に４０．５ペア積層する。例えば、ＡｌＩｎＮ層の成長は、基板温度を８１５℃とし、原料ガスとしてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、及びアンモニアガスを反応炉内に供給して行う。また、ＧａＮ層の成長は、基板温度を８１５℃とし、ＴＭＧａ及びアンモニアガスを反応炉内に供給して行う。なお、ＡｌＩｎＮの組成は例えばＡｌ_0.82Ｉｎ_0.18Ｎである。

続いて、第１反射鏡１１上に、第１半導体層１２を形成する。本実施例において、第１半導体層１２はｎ型半導体層１３とｎ型半導体層１４を有している。例えば、ｎ型半導体層１３としてのｎ型ＧａＮ層１３Ａを３５０ｎｍ成長させ、不純物としてＳｉを７×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドープする。続いて、ｎ型ＧａＮ層１３Ａ上にｎ型半導体層１４としてのＡｌＩｎＮ層１４を成長させ、１〜６×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でドープする。そして、ＡｌＩｎＮ層１４上に、ｎ型半導体層１３としてのｎ型ＧａＮ層１３Ｂを４０ｎｍ成長させる。

第２半導体層１２上に、活性層１５を形成する。例えば、３ｎｍのＧａＩｎＮ量子井戸層と６ｎｍの障壁層とを少なくとも１層以上、交互に積層して活性層１５を形成する。

次に、活性層１５上に第２半導体層２１を成長させる。第２半導体層２１は、少なくとも１の半導体層から構成されていれば良く、本実施例において、ｐ型半導体層２１Ａ及びｐ型半導体層２１Ｂから構成されている。例えば、ｐ型半導体層２１Ａは、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層を２０ｎｍ成長させ、ＣＰ₂Ｍｇ（シクロヘ゜ンタシ゛エニルマク゛ネシウム）ガスを原料としてＭｇを２×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でドープして形成する。そして、ｐ型半導体層２１Ｂは、ｐ型半導体層２１Ａ上にＧａＮ層を７０ｎｍ成長させ、Ｍｇを２×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でドープして形成する。

続いて、ｐ型半導体層２１上に、トンネル接合層２２を成長させる。トンネル接合層２２は、高濃度ｐ型半導体層２２Ａ及び高濃度ｎ型半導体層２２Ｂをこの順に形成する。
高濃度ｐ型半導体層２２Ａは、例えば、基板温度を７１０℃とし、高濃度のＭｇがドープされたＧａＩｎＮ層を３ｎｍ成長させる。高濃度ｐ型半導体層２２Ａの不純物としてのＭｇ濃度は、例えば５×１０¹⁹ｃｍ^-3〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度、より詳細には、１×１０²⁰ｃｍ^-3〜３×１０²⁰ｃｍ^-3程度が好ましい。

次に、高濃度ｎ型半導体層２２Ｂとして、例えば、高濃度のＳｉがドープされたＧａＮ層を７．５ｎｍ成長させる。高濃度ｎ型半導体層２２Ｂの不純物としてのＳｉ濃度は、例えば１×１０²⁰ｃｍ^-3〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度、より詳細には、３×１０²⁰ｃｍ^-3〜６×１０²⁰ｃｍ^-3程度が好ましい。

続いて、トンネル接合層２２上に、ｎ型半導体層（第３半導体層）２３を形成する。第３半導体層（ｎ型半導体層）２３は、例えば、ＳｉがドープされたＧａＮ層を１１０ｎｍ成長させる。Ｓｉ不純物濃度は、例えば７×１０¹⁸ｃｍ^-1である。

以上の方法により、第１反射鏡１１及び半導体構造層２７を形成する。本実施例の製造方法において、第１反射鏡１１及び半導体構造層２７を構成する全ての半導体層（基板１７及び下地層１６を除く）を、ＭＯＶＰＥによるエピタキシャル成長面上に形成することができる。

例えば、トンネル接合層のドライエッチングによる電流狭窄層を形成し、その後、ドライエッチングされた表面に半導体層を成長させた埋め込み層よる電流狭窄構造を形成するような場合において、ドライエッチングされた表面と埋め込み層との界面（特に側壁）に欠陥が生じ易い。そして、欠陥の生じた当該界面付近に電流が流れ易くなり、リークパスとなる場合がある。

しかし、本実施例の製造方法においては、ドライエッチング後の表面に埋め込み層を形成するなど、他の工程を経た表面上に、再びＭＯＶＰＥによる半導体層の成長を行う必要がない。従って、リークパスが発生する原因となる工程が不要であり、リーク電流の増大といった問題が生じない。また、膜厚制御を高精度に行うことができ、欠陥の少ない高品質な半導体層を成長することができる。

なお、実施例３の面発光レーザ５０の構成の場合は、第１反射鏡３１、半導体構造層４７に加えて、第２反射鏡６４の形成についてもステップＳ１１において行うことができ、電極形成後に第２反射鏡を形成する必要がない。また、電極の形成が容易となる。

なお、第１反射鏡、半導体構造層、第２反射鏡を構成する半導体層のうち、窪んだ半導体層を形成するエッチング液に対する耐性が無く、窪んだ半導体層を形成しない半導体層については、ステップＳ１４のウェットエッチングを行う前に、ウェットエッチング液に対して耐性のあるレジスト等で保護すればよい。

以上、詳細に説明したように、本発明の垂直共振器型発光素子によれば、リーク電流が少なく低抵抗の電流狭窄構造及び電流経路を有し、信頼性が高く、長寿命の面発光レーザを提供することができる。また、光の損失が少なく、横モード制御性に優れ、発振特性、安定性、信頼性に優れた面発光レーザを提供することができる。

また、本発明の製造方法によれば、リーク電流の発生し難い方法で、高精度な膜厚制御により半導体層構造層を形成することができ、リーク電流が少なく、安定性、信頼性に優れた面発光レーザを製造することができる。

１０、３０、５０、７０、８０ 面発光レーザ
１１、３１ 第１反射鏡
１２、３２ 第１半導体層
１５ 活性層
２１ 第２半導体層
２２ トンネル接合層
２３ 第３半導体層
２４ 第２反射鏡
２５、６５ 上部ｎ電極
２６、４６ 下部ｎ電極
２７、４７、７７、８７ 半導体構造層

Claims (14)

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トンネル接合層と、
   前記トンネル接合層上に形成され、前記第２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３半導体層と、
   前記第３半導体層上に前記第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２半導体層及び前記第３半導体層は、前記トンネル接合層によって前記第２半導体層及び前記第３半導体層の全体に渡って互いに分離され、
   前記第１反射鏡、前記第２反射鏡、前記第１半導体層、前記第２半導体層、及び前記第３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半導体層を有する垂直共振器型発光素子。
2. 前記窪んだ半導体層は前記活性層に隣接して設けられている請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
3. 前記窪んだ半導体層は前記第１半導体層に設けられている請求項２に記載の垂直共振器型発光素子。
4. 前記窪んだ半導体層は前記トンネル接合層に隣接して設けられ、前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、前記トンネル接合層及び前記窪んだ半導体層によって前記第２半導体層及び前記第３半導体層の全体に渡って互いに分離されている請求項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４のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
6. 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として形成されている請求項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. 前記第２反射鏡は、互いに組成の異なる第３組成及び第４組成の半導体層が交互に積層されて構成された半導体多層膜反射鏡であり、少なくとも１の前記第３組成の半導体層が前記窪んだ半導体層である請求項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. 連続した前記第１組成及び前記第２組成の半導体層、又は連続した前記第３組成及び前記第４組成の半導体層が前記窪んだ半導体層である請求項６又は７に記載の垂直共振器型発光素子。
9. 前記窪んだ半導体層は、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８のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
10. 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、前記第２半導体層及び前記第３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９のいずれか１に記載の垂直共振器型発光素子。
11. 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１０に記載の垂直共振器型発光素子。
12. 前記窪んだ半導体層はＡｌを組成に含む請求項１乃至１１に記載の垂直共振器型発光素子。
13. 半導体ＤＢＲ層からなる第１反射鏡を形成し、
    前記第１反射鏡上に、少なくとも１の半導体層からなる第１半導体層を形成し、
    前記第１半導体層上に活性層を形成し、
    前記活性層上に、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半導体層を形成し、
    前記第２半導体層上にトンネル接合層を形成し、
    前記トンネル接合層上に、前記第２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３半導体層を、前記第２半導体層及び前記第３半導体層が、前記トンネル接合層によって前記第２半導体層及び前記第３半導体層の全体に渡って互いに分離されるように形成し、
    前記第３半導体層上に前記第１反射鏡に対向する第２反射鏡を形成し、
    前記第１反射鏡、前記第２反射鏡、前記第１半導体層、前記第２半導体層及び前記第３半導体層のうち少なくとも１に、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半導体層を形成する、垂直共振器型発光素子の製造方法。
14. 前記窪んだ半導体層はＡｌを組成に含む請求項１３に記載の製造方法。

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