JP2008118037A - Surface emitting laser element and method for manufacturing the same, and surface emitting laser array and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】発光領域における発光が均一な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよびそれらを歩留まりよく製造する製造方法を提供する。
【解決手段】本面発光レーザ素子の製造方法は、高転位密度高導電領域10aと低転位密度高導電領域10bと低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN基板10を準備し、この基板の一方の主面10m上に発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20を形成し、この化合物半導体層の最上層上に半導体層側電極15を形成し、導電性GaN基板の他方の主面10n上に基板側電極を形成する工程を含み、キャリア拡散層201を導電性GaN基板10と発光層200との間に形成するとともに、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように形成する。
【選択図】図1A surface-emitting laser element and a surface-emitting laser array with uniform light emission in a light-emitting region and a manufacturing method for manufacturing them with high yield are provided.
A method for manufacturing a surface emitting laser device includes preparing a conductive GaN substrate 10 including a high dislocation density high conductivity region 10a, a low dislocation density high conductivity region 10b, and a low dislocation density low conductivity region 10c. A plurality of group III-V compound semiconductor layers 20 including a light emitting layer 200 is formed on one main surface 10m of the substrate, and a semiconductor layer side electrode 15 is formed on the uppermost layer of the compound semiconductor layer, thereby forming a conductive GaN substrate. Including a step of forming a substrate-side electrode on the other main surface 10n of the substrate, forming a carrier diffusion layer 201 between the conductive GaN substrate 10 and the light emitting layer 200, and emitting light in which carriers flow in the light emitting layer 200 The region 200a is formed so as to be restricted above the low dislocation density high conductive region 10b and the low dislocation density low conductive region 10c.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、面発光レーザ素子およびその製造方法ならびに面発光レーザアレイおよびその製造方法に関し、詳しくは、発光領域における発光が均一な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよびそれらを歩留まりよく製造する製造方法に関する。 The present invention relates to a surface-emitting laser element and a method for manufacturing the same, and a surface-emitting laser array and a method for manufacturing the surface-emitting laser element. Regarding the method.
発光強度が高く信頼性の高い半導体発光素子を得るために、半導体発光素子用基板としては、導電性で転位密度が低いGaN基板が必要とされている。このため、半導体発光素子用の導電性GaN基板は、その基板の結晶中に意図的に転位を集中させて転位密度が高い領域(以下、高転位密度領域という)を形成させ、この高転位密度領域以外の領域に転位密度が低い低転位密度領域を形成させる。こうして形成された導電性GaN基板の低転位密度領域上に、発光層を含む複数の半導体層を形成させて、LED(発光ダイオート)構造またはストライプレーザ構造を形成することにより発光強度および信頼性の高い半導体発光素子を製造することが提案されている(たとえば、特許文献1および特許文献2)。
しかし、上記特許文献1または特許文献2で提案された半導体発光素子について、以下の問題があった。すなわち、導電性GaN基板を用いてストライプレーザ構造を有する半導体発光素子を形成する場合、GaN基板の劈開性が不十分であるため、たとえばファブリペロー共振器を形成する際の歩留まりが低くなる。
However, the semiconductor light emitting device proposed in
また、導電性GaN基板を用いてLED構造を有する半導体発光素子を形成する場合、LED構造における発光領域を低転位密度領域内の上方に配置しても、発光領域内における発光が均一でない場合が生じ、半導体発光素子の歩留まりが低下する。この原因を調べたところ、導電性GaN基板の低転位密度領域内に、導電性の高い領域(以下、低転位密度高導電領域という)と低い領域が(以下、低転位密度低導電領域という)含まれていることによることが見出された。なお、導電性GaN基板の高転位密度領域は転位密度が高いとともにキャリア濃度が高く導電性が高い領域であることから、この高転位密度領域を高転位密度高導電領域という。 In addition, when a semiconductor light emitting device having an LED structure is formed using a conductive GaN substrate, light emission in the light emitting region may not be uniform even if the light emitting region in the LED structure is arranged above the low dislocation density region. As a result, the yield of the semiconductor light emitting device is reduced. As a result of investigating the cause, within the low dislocation density region of the conductive GaN substrate, there are a high conductivity region (hereinafter referred to as a low dislocation density high conductivity region) and a low region (hereinafter referred to as a low dislocation density low conductivity region). It was found to be due to inclusion. Note that the high dislocation density region of the conductive GaN substrate is a region having a high dislocation density and a high carrier concentration and high conductivity. Therefore, this high dislocation density region is referred to as a high dislocation density high conductivity region.
本発明は、上記の問題を解決して、発光領域における発光が均一な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよびそれらを歩留まりよく製造する製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide a surface-emitting laser element and a surface-emitting laser array that emit light uniformly in a light-emitting region, and a manufacturing method that manufactures them with a high yield.
本発明は、導電性GaN基板として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域と、高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域と、高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域とを含む導電性GaN複領域基板を準備する工程と、導電性GaN複領域基板の一方の主面上に発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、III−V族化合物半導体層の最上層上に半導体層側電極を形成し、導電性GaN複領域基板の他方の主面上に基板側電極を形成する電極形成工程とを含み、半導体層形成工程において、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を導電性GaN複領域基板と発光層との間に形成し、半導体形成工程および電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、III−V族化合物半導体層および半導体側電極の少なくともいずれかを発光層中でキャリアが流入する発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように形成することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法である。 The present invention provides a high dislocation density and high conductivity region having a high dislocation density and carrier concentration, a low dislocation density and a high conductivity region having a low dislocation density as compared with a high dislocation density and a high conductivity region, and a high dislocation density and a high conductivity. A step of preparing a conductive GaN multi-region substrate including a low dislocation density and a low conductive region having a low dislocation density and carrier concentration compared to the conductive region; and a light emitting layer on one main surface of the conductive GaN multi-region substrate Forming a plurality of group III-V compound semiconductor layers, forming a semiconductor layer side electrode on the uppermost layer of the group III-V compound semiconductor layer, and on the other main surface of the conductive GaN multi-region substrate; An electrode forming step of forming a substrate side electrode in the semiconductor layer forming step, and in the semiconductor layer forming step, a carrier diffusion layer that makes the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer uniform is formed between the conductive GaN multi-region substrate and the light emitting layer. Shape In at least one of the semiconductor formation step and the electrode formation step, the light emitting region into which carriers flow in at least one of the III-V compound semiconductor layer and the semiconductor side electrode in the light emitting layer is a low dislocation density high conductive region. And a method of manufacturing a surface-emitting laser element, characterized in that it is formed so as to be restricted above in a low dislocation density and low conductive region.
本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法によれば、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を導電性GaN複領域基板と発光層との間に形成するとともに、III−V族化合物半導体層および半導体側電極の少なくともいずれかを、発光層中でキャリアが流入する発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように形成することにより、発光領域内に流入するキャリアの面内分布が均一で、発光領域内の発光が均一な面発光レーザ素子が歩留まりよく得られる。 According to the method of manufacturing a surface emitting laser element according to the present invention, a carrier diffusion layer that makes the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer uniform is formed between the conductive GaN multi-region substrate and the light emitting layer, In at least one of the III-V compound semiconductor layer and the semiconductor-side electrode, a light emitting region into which carriers flow in the light emitting layer is restricted above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. By forming the surface emitting laser element, the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting region is uniform, and the light emission in the light emitting region is uniform.
本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法においては、電極形成工程において、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように、半導体側電極を低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方の位置に形成することができる。また、半導体形成工程において、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように、III−V族化合物半導体層内にキャリア狭窄領域を形成することができる。かかる製造方法により、発光領域を低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限することができる。 In the method of manufacturing the surface emitting laser element according to the present invention, the semiconductor-side electrode is lowered so that the light emitting region is restricted above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region in the electrode forming step. It can be formed at an upper position in the dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region. In the semiconductor formation step, a carrier confinement region may be formed in the III-V group compound semiconductor layer so that the light emitting region is restricted above the low dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region. it can. With this manufacturing method, the light-emitting region can be restricted above the low dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region.
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法において、高転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域であり得る。かかる製造方法によれば、発光層中の発光領域の転位密度が低く、発光領域内の発光がより均一で発光効率がより高い面発光レーザ素子が歩留まりよく得られる。
In the method for manufacturing a surface emitting laser device according to the present invention, the high dislocation density and high conductivity region is a region having a dislocation density of 1 × 10 6 cm −2 or more and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more, and a low dislocation density. dislocation density high conductivity region is a region carrier concentration of more than 1 × 10 18 cm -3 in less than a dislocation density of 1 × 10 6 cm -2, low dislocation density low conductance
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法において、キャリア拡散層は、キャリア濃度を1×1017cm-3以上とし厚さを4μm以上とすることができる。かかる製造方法によれば、発光領域内に流入するキャリアの面内分布をより均一にすることができ、発光領域内の発光がより均一な面発光レーザ素子が歩留まりよく得られる。 In the method for manufacturing a surface emitting laser element according to the present invention, the carrier diffusion layer can have a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and a thickness of 4 μm or more. According to such a manufacturing method, the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting region can be made more uniform, and a surface emitting laser element with more uniform light emission in the light emitting region can be obtained with a high yield.
本発明は、導電性GaN基板と、導電性GaN基板の一方の主面上に形成されている発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層と、III−V族化合物半導体の最上層上に形成されている半導体層側電極と、導電性GaN基板の他方の主面上に形成されている基板側電極とを含む面発光レーザ素子であって、導電性GaN基板は、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域である低転位密度高導電領域と、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域である低転位密度低導電領域とを含み、III−V族化合物半導体層は、導電性GaN基板と発光層との間に形成され発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を含み、発光層中でキャリアが流入する発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置していることを特徴とする面発光レーザ素子である。
The present invention relates to a conductive GaN substrate, a plurality of III-V compound semiconductor layers including a light emitting layer formed on one main surface of the conductive GaN substrate, and an uppermost layer of the III-V compound semiconductor. The surface emitting laser element includes a semiconductor layer side electrode formed on the substrate and a substrate side electrode formed on the other main surface of the conductive GaN substrate. The conductive GaN substrate has a dislocation density of 1 × 10 6 cm carrier concentration of less than -2 1 × 10 18 cm and a low dislocation density high conductive region is -3 or more regions,
本発明にかかる面発光レーザ素子は、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層が導電性GaN基板と発光層との間に形成されているとともに、発光領域が導電性GaN基板の低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置しているため、発光領域内に流入するキャリアの面内分布が均一となり、発光領域内の発光が均一となる。 In the surface emitting laser device according to the present invention, a carrier diffusion layer that makes the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer uniform is formed between the conductive GaN substrate and the light emitting layer, and the light emitting region is conductive. Since the GaN substrate is located above the low dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region, the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting region is uniform, and the light emission within the light emitting region is uniform. .
本発明にかかる面発光レーザ素子においては、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置するように、半導体側電極が低転位密度高導電領域内の上方の位置に形成され得る。また、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置するように、III−V族化合物半導体層内にキャリア狭窄領域が形成され得る。かかる面発光レーザ素子は、流入するキャリアの面内分布が均一な発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置しているため、発光領域内の発光が均一になる。 In the surface emitting laser device according to the present invention, the semiconductor-side electrode is located above the low dislocation density high conductive region so that the light emitting region is located above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. Can be formed in place. In addition, a carrier confinement region can be formed in the III-V group compound semiconductor layer so that the light emitting region is located above the low dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region. In such a surface emitting laser element, the light emitting region in which the in-plane distribution of inflowing carriers is uniform is located above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region, so that the light emission in the light emitting region is uniform. become.
本発明にかかる面発光レーザ素子において、キャリア拡散層は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上とすることができる。かかる面発光レーザ素子は、発光領域内に流入するキャリアの面内分布がより均一となり、発光領域内の発光がより均一となる。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the carrier diffusion layer can have a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and a thickness of 4 μm or more. In such a surface emitting laser element, the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting region becomes more uniform, and the light emission in the light emitting region becomes more uniform.
本発明にかかる面発光レーザ素子において、導電性GaN基板は、さらに、転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域である高転位密度高導電領域を含むことができる。かかる面発光レーザ素子は、導電性GaN基板の一部に高転位密度高導電領域が含まれていても、発光層中の発光領域の転位密度が低く、発光領域内に流入するキャリアの面内分布が均一に維持されるため、発光領域内の発光が均一かつ高効率に維持される。 In the surface emitting laser device according to the present invention, the conductive GaN substrate further includes a high dislocation density and high conductivity region which is a region having a dislocation density of 1 × 10 6 cm −2 or more and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. Can be included. Such a surface emitting laser element has a low dislocation density in the light emitting region in the light emitting layer even if a part of the conductive GaN substrate includes a high dislocation density and a high conductive region, so that the inflow plane of carriers flowing into the light emitting region Since the distribution is maintained uniformly, the light emission in the light emitting region is maintained uniformly and with high efficiency.
本発明は、面発光レーザ素子を複数個含む面発光レーザアレイの製造方法であって、導電性GaN基板として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域と、高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域と、高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域とを含む導電性GaN複領域基板を準備する工程と、導電性GaN複領域基板の一方の主面上に発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、III−V族化合物半導体層の最上層上に半導体層側電極を形成し、導電性GaN複領域基板の他の主面上に基板側電極を形成する電極形成工程とを含み、半導体層形成工程において、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を導電性GaN複領域基板と発光層との間に形成し、半導体形成工程および電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、III−V族化合物半導体層および半導体側電極の少なくともいずれかを、レーザアレイに含まれる各々の面発光レーザ素子の発光層中でキャリアが流入する発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように形成することを特徴とする面発光レーザアレイの製造方法である。 The present invention relates to a method of manufacturing a surface-emitting laser array including a plurality of surface-emitting laser elements, as a conductive GaN substrate, a high dislocation density and high conductivity region having a high dislocation density and a carrier concentration, and a high dislocation density and high conductivity region. Preparing a conductive GaN multi-region substrate including a low dislocation density and high conductivity region having a low dislocation density compared to the low dislocation density and a low conductivity region having a low dislocation density and a carrier concentration compared to the high dislocation density and high conductivity region A semiconductor layer forming step of forming a plurality of group III-V compound semiconductor layers including a light emitting layer on one main surface of the conductive GaN multi-region substrate, and a semiconductor on the uppermost layer of the group III-V compound semiconductor layer Forming a layer-side electrode and forming a substrate-side electrode on the other main surface of the conductive GaN multi-domain substrate, and in the semiconductor layer forming step, the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer Average A carrier diffusion layer is formed between the conductive GaN multi-region substrate and the light emitting layer, and in at least one of the semiconductor formation step and the electrode formation step, at least the group III-V compound semiconductor layer and the semiconductor side electrode Either one is formed so that the light emitting region into which carriers flow in the light emitting layer of each surface emitting laser element included in the laser array is restricted above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. A method of manufacturing a surface-emitting laser array, comprising:
本発明にかかる面発光レーザアレイの製造方法によれば、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を導電性GaN複領域基板と発光層との間に形成するとともに、III−V族化合物半導体層および半導体側電極の少なくともいずれかを、各々の面発光レーザ素子について発光層中でキャリアが流入する発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように形成することにより、各々の面発光レーザ素子について発光領域内に流入するキャリアの面内分布が均一で発光領域内の発光が均一な面発光レーザアレイ素子が歩留まりよく得られる。 According to the method of manufacturing the surface emitting laser array according to the present invention, the carrier diffusion layer that makes the in-plane distribution of the carriers flowing into the light emitting layer uniform is formed between the conductive GaN multi-region substrate and the light emitting layer, At least one of the III-V compound semiconductor layer and the semiconductor-side electrode has a light emitting region in which carriers flow in the light emitting layer of each surface emitting laser element in the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. By forming it so as to be restricted upward, a surface emitting laser array element in which the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting region is uniform and the light emission in the light emitting region is uniform can be obtained with good yield. It is done.
本発明にかかる面発光レーザアレイの製造方法においては、電極形成工程において、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように、半導体側電極を低転位密度高導電領域内および低転位密度低導電領域の上方の位置に形成することができる。また、半導体層形成工程において、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように、III−V族化合物半導体層内にキャリア狭窄領域を形成することができる。かかる製造方法により、面発光レーザアレイ中の各々の面発光レーザ素子の発光領域を低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に制限することができる。 In the method of manufacturing the surface emitting laser array according to the present invention, in the electrode forming step, the semiconductor-side electrode is lowered so that the light emitting region is restricted above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. It can be formed in the dislocation density high conductivity region and at a position above the low dislocation density low conductivity region. In the semiconductor layer formation step, a carrier confinement region is formed in the III-V compound semiconductor layer so that the light emitting region is restricted above the low dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region. Can do. With this manufacturing method, the light emitting region of each surface emitting laser element in the surface emitting laser array can be restricted above the low dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region.
本発明にかかる面発光レーザアレイの製造方法において、高転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域であり得る。かかる製造方法によれば、各々の面発光レーザ素子について、発光層中の発光領域の転位密度が低く、発光領域内の発光がより均一で発光効率がより高い面発光レーザアレイが歩留まりよく得られる。 In the method for manufacturing a surface emitting laser array according to the present invention, the high dislocation density and high conductivity region is a region having a dislocation density of 1 × 10 6 cm −2 or more and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. The high conductive region is a region having a dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2 and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more, and the low dislocation density of the low conductive region is a dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2. And the carrier concentration may be a region of less than 1 × 10 18 cm −3 . According to such a manufacturing method, for each surface emitting laser element, a surface emitting laser array having a low dislocation density in the light emitting region in the light emitting layer, more uniform light emission in the light emitting region, and higher light emission efficiency can be obtained with high yield. .
本発明にかかる面発光レーザアレイの製造方法において、キャリア拡散層は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上とすることができる。かかる製造方法によれば、各々の面発光レーザ素子について、発光領域内に流入するキャリアの面内分布をより均一にすることができ、発光領域内の発光がより均一な面発光レーザアレイが歩留まりよく得られる。 In the method for manufacturing the surface emitting laser array according to the present invention, the carrier diffusion layer can have a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and a thickness of 4 μm or more. According to this manufacturing method, for each surface emitting laser element, the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting region can be made more uniform, and the surface emitting laser array with more uniform light emission in the light emitting region can be obtained. Well obtained.
本発明は、面発光レーザ素子を複数個含む面発光レーザアレイであって、面発光レーザ素子は、導電性GaN基板と、導電性GaN基板の一方の主面上に形成されている発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層と、III−V族化合物半導体層の最上層上に形成されている半導体層側電極と、導電性GaN基板の他方の主面上に形成されている基板側電極とを含み、III−V族化合物半導体層は、導電性GaN基板と発光層との間に形成され発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を含み、面発光レーザアレイは、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域と、高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域と、高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域とを含む導電性GaN複領域基板を含み、面発光レーザアレイに含まれる各々の面発光レーザ素子の発光層中でキャリアが流入する発光領域が、低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置していることを特徴とする面発光レーザアレイである。 The present invention is a surface emitting laser array including a plurality of surface emitting laser elements, the surface emitting laser element comprising a conductive GaN substrate and a light emitting layer formed on one main surface of the conductive GaN substrate. A plurality of group III-V compound semiconductor layers, a semiconductor layer side electrode formed on the uppermost layer of the group III-V compound semiconductor layer, and a substrate formed on the other main surface of the conductive GaN substrate The group III-V compound semiconductor layer includes a carrier diffusion layer that is formed between the conductive GaN substrate and the light emitting layer and uniforms the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer. Laser arrays consist of high dislocation density and high conductivity regions with high dislocation density and carrier concentration, low dislocation density and high conductivity regions with low dislocation density compared to high dislocation density and high conductivity regions, and dislocation compared with high dislocation density and high conductivity regions. Density and carry Low dislocation density low dislocation density A conductive GaN multi-region substrate including a low conductive region, and a light emitting region into which carriers flow in a light emitting layer of each surface emitting laser element included in the surface emitting laser array has a low dislocation density. A surface emitting laser array characterized by being located above a high conductive region and a low dislocation density low conductive region.
本発明にかかる面発光レーザアレイは、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層が導電性GaN基板と発光層との間に形成されているとともに、各々の面発光レーザ素子の発光領域が導電性GaN基板の低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置しているため、各々の面発光レーザ素子について、発光領域内に流入するキャリアの面内分布が均一となり、発光領域内の発光が均一となる。 In the surface emitting laser array according to the present invention, a carrier diffusion layer that makes the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer uniform is formed between the conductive GaN substrate and the light emitting layer, and each surface emitting laser is provided. Since the light emitting region of the element is located above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region of the conductive GaN substrate, for each surface emitting laser element, the surface of the carrier flowing into the light emitting region The internal distribution becomes uniform, and the light emission in the light emitting region becomes uniform.
本発明にかかる面発光レーザアレイにおいては、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置するように、半導体側電極が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方の位置に形成され得る。また、発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置するように、III−V族化合物半導体層内にキャリア狭窄領域が形成され得る。かかる面発光レーザアレイは、各々の面発光レーザ素子における流入するキャリアの面内分布が均一な発光領域が低転位密度高導電領域および低転位密度低導電領域内の上方に位置しているため、発光領域内の発光が均一になる。 In the surface emitting laser array according to the present invention, the semiconductor-side electrode has a low dislocation density, a high conductivity region, and a low dislocation density so that the light emitting region is located above the low dislocation density, high conductivity region and the low dislocation density, low conductivity region. It can be formed at an upper position in the low conductive region. In addition, a carrier confinement region can be formed in the III-V group compound semiconductor layer so that the light emitting region is located above the low dislocation density high conductivity region and the low dislocation density low conductivity region. In such a surface emitting laser array, the light emitting region where the in-plane distribution of inflowing carriers in each surface emitting laser element is uniform is located above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. The light emission in the light emitting region becomes uniform.
本発明にかかる面発光レーザアレイにおいて、高転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域であり得る。かかる面発光レーザアレイは、各々の面発光レーザ素子について、発光層中の発光領域の転位密度が低く、発光領域内の発光がより均一となり、発光効率がより高くなる。 In the surface emitting laser array according to the present invention, the high dislocation density and high conductivity region is a region having a dislocation density of 1 × 10 6 cm −2 or more and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. Is a region where the dislocation density is less than 1 × 10 6 cm −2 and the carrier concentration is 1 × 10 18 cm −3 or more, and the low dislocation density and low conductivity region has a dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2 and a carrier concentration. Can be a region of less than 1 × 10 18 cm −3 . In such a surface emitting laser array, the dislocation density of the light emitting region in the light emitting layer is low for each surface emitting laser element, the light emission in the light emitting region becomes more uniform, and the light emission efficiency becomes higher.
本発明にかかる面発光レーザアレイにおいて、キャリア拡散層は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上とすることができる。かかる面発光レーザアレイは、各々の面発光レーザ素子について、発光領域内に流入するキャリアの面内分布がより均一となり、発光領域内の発光がより均一となる。 In the surface emitting laser array according to the present invention, the carrier diffusion layer can have a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and a thickness of 4 μm or more. In such a surface emitting laser array, for each surface emitting laser element, the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting region becomes more uniform, and the light emission in the light emitting region becomes more uniform.
本発明によれば、発光領域における発光が均一な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよびそれらを歩留まりよく製造する製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a surface emitting laser element and a surface emitting laser array in which light emission in the light emitting region is uniform, and a manufacturing method for manufacturing them with a high yield.
本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。ここで、面発光レーザ素子または面発光レーザアレイの模式断面図を示す図1(b)、2(b)、6(b)、7(b)、8(b)、10〜15、17(b)、および18(b)においては、導電性GaN基板およびIII−V族化合物半導体層の各厚さは実際の厚さを反映したものではない。III−V族化合物半導体層の層構造を明確にするため、III−V族化合物半導体層の厚さが大きく拡張されて記載されている。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Here, FIGS. 1 (b), 2 (b), 6 (b), 7 (b), 8 (b), 10-15, and 17 (17) showing schematic cross-sectional views of the surface emitting laser element or the surface emitting laser array. In b) and 18 (b), the thicknesses of the conductive GaN substrate and the III-V compound semiconductor layer do not reflect the actual thickness. In order to clarify the layer structure of the group III-V compound semiconductor layer, the thickness of the group III-V compound semiconductor layer is greatly expanded.
(実施形態1)
本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、図1および図2を参照して、導電性GaN基板10として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域10aと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域10bと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN複領域基板を準備する工程と、導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の一方の主面10m上に発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層20を形成する半導体層形成工程と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に半導体層側電極15を形成し、導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の他方の主面10n上に基板側電極11を形成する電極形成工程とを含み、半導体層形成工程において、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)と発光層200との間に形成し、半導体形成工程および電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15の少なくともいずれかを、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように、形成することを特徴とする。
(Embodiment 1)
With reference to FIGS. 1 and 2, the manufacturing method of the surface emitting laser device according to the present invention is a
本実施形態の面発光レーザ素子の製造方法においては、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)と発光層200との間に形成するとともに、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15の少なくともいずれかを、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように形成することにより、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布が均一で、発光領域200a内の発光が均一な面発光レーザ素子1が歩留まりよく得られる。
In the method of manufacturing the surface emitting laser element according to the present embodiment, the
ここで、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15のいずれかを、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように、形成する方法には、特に制限はなく、たとえば、図1に示すように半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成する方法、図2に示すようにIII−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成する方法などがある。詳細については後述する。なお、発光領域200aからの発光を素子の主面から発振させるための共振器構造は、後述する種々の構造を用いることができる。図1および図2においては、かかる共振器構造は図示されていない。
Here, in any one of the III-V group
実施形態1の面発光レーザ素子の製造方法においては、図3〜図5を参照して導電性GaN基板10として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域10aと、高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域10bと、高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN複領域基板を準備する工程が含まれる。ここで、各領域における転位密度は、CL(カソードルミネッセンス)法またはEPD(エッチピット密度)法により、単位面積当たりの蛍光像中の暗点またはエッチピットを直接数えることにより得られる。また、各領域におけるキャリア濃度はC−V(容量−電圧測定)法またはHall測定法により測定することができる。なお、キャリアとは、導電に寄与する正孔または電子の総称であり、キャリア濃度とは導電に寄与する正孔または電子の濃度をいう。かかる導電性GaN複領域基板は、高転位密度高導電領域10aに転位を集中させることにより、高転位密度高導電領域10a以外の領域(低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c)の転位密度が低減されている。このため、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c上に転位密度の低いIII−V族化合物半導体層を形成することができ、発光強度および信頼性の高い面発光レーザ素子が得られる。
In the method for manufacturing the surface-emitting laser device of
たとえば、上記の導電性GaN複領域基板の高転位密度高導電領域10a内の上方に、発光層200の発光領域200aが形成されているFP型(一般型端面発光型)レーザ素子の寿命は100時間以上1000時間以下程度であるのに対し、高転位密度高導電領域10a以外の領域(低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c)内の上方に、発光層200の発光領域200aが形成されているFP型レーザ素子の寿命は50000時間以上と非常に長くなる。
For example, the lifetime of an FP type (general edge emitting type) laser element in which the
本実施形態で用いられる導電性GaN複領域基板の製造方法は、特に制限はなく、たとえば、下地基板上にGaNを結晶成長させる際に、高転位密度高導電領域を形成させる場所に、種をあらかじめ形成しておくことができる。かかる導電性GaN複領域基板のより具体的な製造方法は、以下のとおりである。 The method for manufacturing the conductive GaN multi-region substrate used in the present embodiment is not particularly limited. For example, when GaN is crystal-grown on the base substrate, a seed is formed at a place where a high dislocation density high conductivity region is formed. It can be formed in advance. A more specific method for manufacturing such a conductive GaN multi-region substrate is as follows.
まず、下地基板を準備する。下地基板としては、GaNを結晶成長させることができるものであれば特に制限はなく、サファイア基板、GaAs基板などが挙げられる。後工程で下地基板を除去することを考えると、除去が容易なGaAs基板などを用いることが好ましい。 First, a base substrate is prepared. The base substrate is not particularly limited as long as it can grow GaN crystals, and examples thereof include a sapphire substrate and a GaAs substrate. In view of removing the base substrate in a later step, it is preferable to use a GaAs substrate that can be easily removed.
次に、上記下地基板上に、たとえばSiO2膜からなる種を形成する。この種の形状は、たとえばドット状またはストライプ状とすることができる。この種は規則正しく、複数個形成することができる。より具体的には、種は、図3(a)、図4(a)または図5(a)の高転位密度高導電領域10aの配置に対応した配置でドット状またはストライプ状に形成する。
Next, seeds made of, for example, a SiO 2 film are formed on the base substrate. This type of shape can be, for example, a dot or stripe. A plurality of such species can be regularly formed. More specifically, the seeds are formed in the form of dots or stripes in an arrangement corresponding to the arrangement of the high dislocation density high
次に、上記の種が形成された下地基板上に、たとえばHVPE(ハイドライド気相成長)法により、GaNを結晶成長させる。結晶成長中および結晶成長後のGaNの結晶成長面上には、種のパターン形状に応じたファセット面が形成される。種がドット状のパターンの場合は、ファセット面からなるピットが規則正しく形成され、種がストライプ状のパターンの場合は、プリズム状のファセット面が形成される。ここで、結晶成長の際に、GaN原料に加えてドーパントを添加することにより、GaNに導電性を付与する。 Next, GaN is crystal-grown on the base substrate on which the above seeds are formed, for example, by HVPE (hydride vapor phase epitaxy). A facet plane corresponding to the pattern shape of the seed is formed on the crystal growth surface of GaN during and after crystal growth. When the seed is a dot-like pattern, pits composed of facet surfaces are regularly formed, and when the seed is a stripe-like pattern, a prism-like facet surface is formed. Here, in crystal growth, conductivity is imparted to GaN by adding a dopant in addition to the GaN raw material.
次に、結晶成長させたGaNを所定の形状に切り出して、その表面を研磨することにより、高転位密度高導電領域10a、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10cを含む導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)が得られる。
Next, the crystal-grown GaN is cut into a predetermined shape and the surface thereof is polished so that the conductive material including the high dislocation density high
図3〜図5を参照して、かかる導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)には、下地基板の種の配置に対応して高転位密度高導電領域10aが形成され、この高転位密度高導電領域10aから一定の範囲内に低転位密度高導電領域10bが形成されている。ここで、図3(a)または図4(a)を参照して、ドット状の高転位密度高導電領域10aが形成されている場合には、ドーナッツ状の低転位密度高導電領域10bが形成されている。図5(a)を参照して、ストライプ状の高転位密度高導電領域10aが形成されている場合には、ストライプ状の低転位密度高導電領域10bが形成されている。また、この低転位密度高導電領域10bと隣の低転位密度高導電領域10bとの間に低転位密度低導電領域10cが形成されている。ここで、高転位密度高導電領域10a、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10cは、蛍光顕微鏡を用いて観察することができる。
Referring to FIGS. 3 to 5, such a conductive GaN multi-region substrate (conductive GaN substrate 10) is formed with a high dislocation density high
上記のようにして、転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の高転位密度高導電領域10aと、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の低転位密度高導電領域10bと、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の低転位密度低導電領域10cとが含まれる導電性GaN複領域基板が得られる。
As described above, the dislocation density is 1 × 10 6 cm −2 or more and the carrier concentration is 1 × 10 18 cm −3 or more of the high dislocation density and highly
ここで、上記の導電性GaN複領域基板における上記各領域の抵抗率は、上記高転位密度高導電領域10aおよび低転位密度高導電領域10bの抵抗率は0.002Ω・cm以上0.1Ω・cm以下であり、上記低転位密度低導電領域10cの抵抗率は0.5Ω・cm以上100000Ω・cm以下であった。また、低転位密度高導電領域10bと低転位密度低導電領域10bとの境界において、抵抗率の不連続的な変化が観測された。また、図19を参照して、上記の導電性GaN複領域基板における低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10cの広がり抵抗の値は、SSRM(走査型広がり抵抗顕微鏡)で測定したところ、両者間で1桁以上異なることが確認された。
Here, the resistivity of each region in the conductive GaN multi-region substrate is such that the resistivity of the high dislocation density high
実施形態1の面発光レーザ素子の製造方法においては、図1および図2を参照して、上記の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)上に、複数のIII−V族化合物半導体層20を形成する半導体層形成工程が含まれる。ここで、III−V族化合物半導体層とは、長周期率表におけるIIIb族元素とVb族元素である窒素との化合物により形成される半導体層をいう。この半導体層形成工程において、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)と発光層200との間に形成する。かかるキャリア拡散層201を形成することにより、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にすることができる。
In the method for manufacturing the surface-emitting laser device according to the first embodiment, referring to FIGS. 1 and 2, a plurality of III-V group compound semiconductors are formed on the conductive GaN multi-region substrate (conductive GaN substrate 10). A semiconductor layer forming step for forming the
実施形態1において、III−V族化合物半導体層20の積層構造は、本発明の目的に適合する構造である限り特に制限はないが、図1および図2を参照して、たとえば以下のようにして形成される。導電性GaN基板10上に、キャリア拡散層201、少なくとも1層の第1の導電型のIII−V族化合物半導体層210、発光層200、少なくとも1層の第2の導電型のIII−V族化合物半導体層220を形成する。ここで、第1の導電型および第2の導電型とは、それぞれ異なった導電型、n型およびp型、または、p型およびn型をいう。また、III−V化合物半導体20の積層構造には、後述するように、発光領域200aからの発光を素子の主面から発振させるための共振器構造が含まれる(図1および図2には図示されていない)。
In the first embodiment, the stacked structure of the III-V
実施形態1の面発光レーザ素子の製造方法においては、図1および図2を参照して、上記III−V族化合物半導体層20の最上層上に半導体層側電極15を形成し、導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の他方の主面10n上に基板側電極11を形成する電極形成工程とを含む。かかる電極を形成することにより、面発光レーザ素子が得られる。ここで、図1(a)および図2(a)を参照して、半導体側電極15に電気的に接続してパッド電極17が形成される。かかるパッド電極17はボンディングワイヤを電気的に接続するためのものである。
In the method for manufacturing the surface-emitting laser device according to the first embodiment, referring to FIGS. 1 and 2, the semiconductor
実施形態1の面発光レーザ素子の製造方法においては、上記の半導体層形成工程および電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15の少なくともいずれかを、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように、形成する。発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されていても、導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されるキャリア拡散層201により、発光領域200aに流入するキャリアの面内分布は均一になり、発光領域200a内の発光が均一な面発光レーザ素子1が歩留まりよく得られる。かかるIII−V族化合物半導体層20および/または半導体側電極15の形成方法には、特に制限はないが、たとえば以下の方法が好ましく用いられる。
In the method for manufacturing the surface-emitting laser element of
(実施形態1−1)
図1を参照して、実施形態1の面発光レーザ素子の製造方法における電極形成工程において、発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように、半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成することができる。実施形態1−1によれば、基板側電極11が低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の下方のみならず高転位密度高導電領域10aの下方までに拡がって形成されていても、半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成することにより、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aを低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限することができる。
(Embodiment 1-1)
Referring to FIG. 1, in the electrode forming step in the method for manufacturing the surface emitting laser element of
図1(a)および(b)を参照して、実施形態1−1の面発光レーザ素子においては、半導体側電極が不透明の場合は、発光領域200a(直径D)内の発光は、上記半導体側電極15の外周の近傍領域(外周から5μm程度までの外側領域をいう、以下同じ)の主面のみから外部に取り出される。また、半導体側電極15内に1以上の開口部(図示せず)を設けることにより、その開口部から発光領域200a内の発光を外部に取り出すことができる。さらに、半導体側電極15を透明電極とすることにより、半導体側電極15の全領域から発光領域200a内の発光を外部に取り出すことができる。なお、図1(b)より明らかに、発光層200の発光領域200aは半導体側電極15の形成領域とほぼ一致するが、図1(a)においては見やすいように境界線をずらして描いている。
Referring to FIGS. 1A and 1B, in the surface emitting laser element of Embodiment 1-1, when the semiconductor-side electrode is opaque, the light emission in the
(実施形態1−2)
図2を参照して、実施形態1の面発光レーザ素子の製造方法における半導体形成工程において、発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように、III−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成することができる。実施形態1−2によれば、半導体側電極15および基板側電極11が、それぞれ低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方または下方のみならず、高転位密度高導電領域10aの上方または下方までに拡がって形成されていても、III−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成することにより、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aを低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限することができる。これにより、発光領域200a内に流入するキャリアが均一で、発光領域200a内の発光が均一な面発光レーザ素子が得られる。
(Embodiment 1-2)
Referring to FIG. 2, in the semiconductor formation step in the method for manufacturing the surface emitting laser element according to the first embodiment, the
ここで、キャリア狭窄領域250を形成する方法には、発明の目的を適合するものであれば特に制限はないが、たとえばメサエッチングによりメサ状に領域を区切る場合は、そのメサ側面部に入ったエッチングダメージにより、流入したキャリアの一部が再結合してしまう。かかるキャリアの再結合を防止する観点から、図6(b)に示すように絶縁体からなるキャリア狭窄層250aを形成する方法、図7(b)に示すようにイオン注入などにより絶縁化された絶縁化領域250bを形成する方法などが好ましく挙げられる。
Here, the method for forming the
図2(a)および(b)を参照して、実施形態1−2においては、半導体側電極15として、中央部に開口部を有するリング状の電極が形成されている。上記キャリア狭窄領域250により発光領域200aがリング状の半導体側電極15の開口領域内に制限されているため、発光領域200aの発光は、リング状の半導体側電極15の開口領域内から外部に取り出される。
2A and 2B, in the embodiment 1-2, a ring-shaped electrode having an opening at the center is formed as the semiconductor-
発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aを低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限する方法として、実施形態1−A1では半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成する方法を、実施形態1−A2ではIII−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成する方法を示したが、III−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成するとともに、半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成する方法を用いることも好ましい。
As a method for limiting the
実施形態1においては、III−V族化合物半導体層20内に形成されたキャリア狭窄領域250により転位密度が低い低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度導電領域10c内の上方に発光領域200aが限定されるため、発光層200中の発光領域200a内の転位密度が低く、発光強度および信頼性の高い面発光レーザ素子が得られる。しかし、低転位密度高導電領域10bと低転位密度低導電領域10cとはキャリア濃度に差があるため、発光領域200aが低転位密度導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置する場合には、発光領域200a内に流入するキャリアが不均一となり、発光領域における発光が不均一となる。ここで、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を導電性GaN基板10と発光層200との間に形成することにより、発光層200中の発光領域200aに流入するキャリアの面内分布を均一とすることができ、発光領域200aの発光が均一な面発光レーザ素子1が歩留まりよく得られる。
In the first embodiment, the
また、実施形態1の製造方法によって得られる面発光レーザ素子において、面発光を可能とするIII−V族化合物半導体層20の共振器構造には、特に制限はないが、たとえば、図6(b)に示すようなn型層側のDBR(multilayer distributed Bragg reflector;ブラッグリフレクタ、以下同じ)213と誘電体ミラー103との組み合わせ構造、図7(b)に示すようなn型層側のDBR213とp型層側のDBR223との組み合わせ構造、図8(b)に示すようなフォトニック結晶層233を含む構造などが、好ましく挙げられる。
Further, in the surface emitting laser element obtained by the manufacturing method of
本実施形態の面発光レーザ素子の製造方法において、高転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域であることが好ましい。発光層200中の発光領域200aを転位密度が低い低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限することにより、発光層中の発光領域の転位密度が低く、発光領域内の発光がより均一で発光効率がより高い面発光レーザ素子が歩留まりよく得られる。
In the method for manufacturing the surface emitting laser device of this embodiment, the high dislocation density and high conductivity region is a region having a dislocation density of 1 × 10 6 cm −2 or more and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more, and has a low dislocation density. The high conductive region is a region having a dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2 and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more, and the low dislocation density of the low conductive region is a dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2. And a carrier concentration of less than 1 × 10 18 cm −3 is preferred. By limiting the
また、本実施形態の面発光レーザ素子の製造方法において、キャリア拡散層201は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上であることが好ましい。キャリア濃度が1×1017cm-3以上に高導電性を有し4μm以上に厚いキャリア拡散層を導電性GaN基板10と発光層200との間に形成することにより、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布をより均一にすることができ、発光領域内の発光をより均一な面発光レーザ素子が歩留まりよく得られる。
In the method for manufacturing the surface emitting laser element of this embodiment, the
(実施形態2)
本発明にかかる面発光レーザ素子は、図1および図2を参照して、導電性GaN基板10と、導電性GaN基板10の一方の主面10m上に形成されている発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20と、III−V族化合物半導体20の最上層上に形成されている半導体層側電極15と、導電性GaN基板10の他方の主面10n上に形成されている基板側電極11とを含む面発光レーザ素子1であって、導電性GaN基板10は、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域である低転位密度高導電領域10bと、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域である低転位密度低導電領域10cとを含み、III−V族化合物半導体層20は、導電性GaN基板10と発光層200との間に形成され発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を含み、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置していることを特徴とする。
(Embodiment 2)
1 and 2, the surface emitting laser element according to the present invention includes a
実施形態2の面発光レーザ素子は、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているとともに、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置しているため、発光領域内に流入するキャリアの面内分布が均一となり発光領域内の発光が均一となるとともに、発効効率が高く信頼性が向上する。
In the surface-emitting laser element according to the second embodiment, a
実施形態2の面発光レーザ素子は、キャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているとともに、発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置する構造を有するものであれば特に制限はないが、たとえば、以下の実施形態2−1または実施形態2−2の構造を有するものが挙げられる。
In the surface emitting laser element of
(実施形態2−1)
実施形態2の面発光レーザ素子の一例は、図1(a)および(b)を参照して、以下のとおりである。すなわち、導電性GaN基板10と、導電性GaN基板10の一方の主面10m上に形成されている発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に形成されている半導体層側電極15と、導電性GaN基板10の他方の主面10n上に形成されている基板側電極11とを含む面発光レーザ素子1である。ここで、導電性GaN基板10は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域である低転位密度高導電領域10bと、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域である低転位密度低導電領域10cとを含む。また、III−V族化合物半導体層20は、導電性GaN基板10と発光層200との間に形成され発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を含む。また、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置するように、半導体側電極15が低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成されている。
(Embodiment 2-1)
An example of the surface emitting laser element of
(実施形態2−2)
実施形態2の面発光レーザ素子の他の例は、図2(a)および(b)を参照して、以下のとおりである。すなわち、導電性GaN基板10と、導電性GaN基板10の一方の主面10m上に形成されている発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に形成されている半導体層側電極15と、導電性GaN基板10の他方の主面10n上に形成されている基板側電極11とを含む面発光レーザ素子1である。ここで、導電性GaN基板10は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域である低転位密度高導電領域10bと、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域である低転位密度低導電領域10cとを含む。また、III−V族化合物半導体層20は導電性GaN基板10と発光層200との間に形成され発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を含む。また、発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置するように、III−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄層250が形成されている。
(Embodiment 2-2)
Other examples of the surface emitting laser element of
実施形態2の面発光レーザ素子において、面発光を可能とするIII−V族化合物半導体層20の共振器構造は、図1および図2には記載されていないが、たとえば、図6(b)に示すようなn型層側のDBR(multilayer distributed Bragg reflector;ブラッグリフレクタ、以下同じ)213と誘電体ミラー103との組み合わせ構造、図7(b)に示すようなn型層側のDBR213とp型層側のDBR223との組み合わせ構造、図8(b)に示すようなフォトニック結晶層233を含む構造などが、好ましく挙げられる。
In the surface-emitting laser element of the second embodiment, the resonator structure of the III-V group
実施形態2の面発光レーザ素子において、キャリア拡散層201は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上とすることが好ましい。かかる面発光レーザ素子は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上に高導電性を有し4μm以上に厚いキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているため、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布がより均一となり、発光領域内の発光がより均一となる。
In the surface emitting laser element of
実施形態の面発光レーザ素子において、導電性GaN基板10は、さらに、転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域である高転位密度高導電領域10aを含むことができる。かかる面発光レーザ素子は、導電性GaN基板10の一部に高転位密度高導電領域10aが含まれていても、発光層200中の発光領域200aは、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置するため、その転位密度が低く、発光領域内に流入するキャリアの面内分布が均一に維持されるため、発光領域内の発光が均一かつ高効率に維持される。
In the surface emitting laser element of the embodiment, the
(実施形態3)
本発明にかかる面発光レーザ素子の一具体例について説明する。図6を参照して、実施形態3の面発光レーザ素子1は、導電性GaN基板10とこの導電性GaN基板10の一方の主面10m上に形成されている発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20とを含む。また、図6(a)および(b)を参照して、III−V族化合物半導体層20の最上層(コンタクト層229)上に、ボンディングワイヤを電気的に接続するためのパッド電極17と、このパッド電極17に電気的に接続するように形成されたp型のリング状の半導体側電極15と、このリング状の半導体側電極15の内周側に配置された誘電体ミラー103とを備える。
(Embodiment 3)
A specific example of the surface emitting laser element according to the present invention will be described. Referring to FIG. 6, the surface emitting
図6(b)を参照して、この面発光レーザ素子1の断面における具体的な構造は、n型の導電性GaN基板10の一方の主面10m(複数のIII−V族化合物半導体層が形成されている側の主面をいう、以下同じ)上にキャリア拡散層201が形成されている。このキャリア拡散層201を構成する材料としては、たとえばn型GaN(n型の導電型を有するGaN)を用いることができる。
Referring to FIG. 6B, the specific structure of the surface emitting
このキャリア拡散層201上には、n型層側のDBR213が形成されている。このDBR213は、n型AlGaNとn型GaNとからなる層が複数積層した多層膜からなる。このDBR213上にはn型のクラッド層215が形成されている。このクラッド層215を構成する材料としては、たとえばn型AlGaNを用いることができる。このクラッド層215上には発光層200が形成されている。この発光層200としては、たとえばGa1-xInxN層(0<x<1)とGaN層とを積層した多層膜構造を有する多重量子井戸発光層とすることができる。この発光層200上にp型のクラッド層225を形成する。このクラッド層225を構成する材料としては、たとえばp型Al1-xGaxN(0<x<1))を用いることができる。このクラッド層225上にはp型のコンタクト層227が形成されている。このコンタクト層227を構成する材料としては、たとえばGaNを用いることができる。
On the
このコンタクト層227上に絶縁体からなるキャリア狭窄層250aが形成されている。このキャリア狭窄層250aを構成する材料としては、たとえばSiO2からなる絶縁膜を用いることができる。このキャリア狭窄層250aには、n型の導電性GaN基板10の低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方であって、かつ、後述する誘電体ミラー103下に位置する領域に、平面形状が円形状の開口部が形成されている。この開口部がいわゆる発光領域200aとなる。すなわち、発光領域200aは、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方であって、かつ、誘電体ミラー103が形成されている領域(誘電体ミラーの形成領域103a)内の下方に位置するように形成される。この開口部の直径は幅D(図6参照)である。このキャリア狭窄層250a上にはp型のコンタクト層229が形成されている。このコンタクト層229を構成する材料としては、たとえばGaNを用いることができる。このコンタクト層229上には、上述したリング状の半導体側電極15および誘電体ミラー103が形成されている。誘電体ミラー103は、たとえばZnSとMgF2とからなる多層膜であってもよい。なお、DBR213の厚みT(図6(b)参照)は、3μm以上6μm以下であることが好ましい。
On this
たとえば、サファイア基板上に、DBR213として厚み3μm以上のものを形成すると、サファイア基板とDBR213との格子定数の差から大きな歪が生じる。この結果、クラック(ひび)が発生して特性が劣化する。しかし、導電性GaN基板10上にDBR213を形成した場合は、導電性GaN基板10とDBR213との格子整合度が著しく上昇するため、歪は減少する。この結果、クラックの発生を抑制できる。このように、導電性GaN基板10を用いれば、上述のような膜厚の厚いDBR213を形成することができる。このような厚いDBR213では、レーザ光として出射する波長の光について高い反射率を実現できる。この結果、誘電体ミラー103側からレーザ光を出射させることができる。
For example, when a
また、n型の導電性GaN基板(n型の導電型を有する導電性GaN基板)10の他方の主面10n(複数のIII−V族化合物半導体層が形成されていない側の主面をいう、以下同じ)上に基板側電極11(n側の電極)が形成されている。
The other
この実施形態3の面発光レーザ素子は、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているため、発光層200に含まれる発光領域200aが導電性GaN基板10中の低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置していても、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布が均一となり、発光領域200a内の発光が均一となる。
In the surface emitting laser element according to the third embodiment, the
また、実施形態3の面発光レーザ素子において、キャリア拡散層201は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上であることが好ましい。キャリア濃度が1×1017cm-3以上に高導電性を有し4μm以上に厚いキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されることにより、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布がより均一になり、発光領域内の発光がより均一になる。
In the surface emitting laser element of Embodiment 3, the
また、低転位密度高導電領域10bが転位密度1×106cm-2未満でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域10cが転位密度1×106cm-2未満でキャリア濃度1×1018cm-3未満の領域であると、発光層中の発光領域における転位が低くなり、発光効率がより高くなる。
Further, the low dislocation density and high
(実施形態4)
本発明にかかる面発光レーザ素子の他の具体例について説明する。図7を参照して、実施形態4の面発光レーザ素子1は、基本的には図6に示した実施形態3の面発光レーザ素子と同様の平面構造を有しているが、リング状の半導体側電極15の内周側に図6に示したような誘電体ミラー103が配置されていない点が異なる。また、図7(b)を参照して、その断面構造については、n型の導電性GaN基板10の一方の主面10m上にキャリア拡散層201、n型層側のDBR213、n型のクラッド層215および発光層200が配置され、また、n型の導電性GaN基板10の他方の主面10n上に基板側電極11(n側の電極)が形成されている。図7(b)に示した面発光レーザ素子においては、この発光層200から下層の構造は図6(b)に示した実施形態3の面発光レーザ素子と同様である。ただし、図7(b)に示した面発光レーザ素子は、発光層200より上層の構造が図6(b)に示した実施形態3の面発光レーザ素子とは異なっている。
(Embodiment 4)
Another specific example of the surface emitting laser element according to the present invention will be described. Referring to FIG. 7, the surface emitting
図7(b)に示すように、本実施形態の面発光レーザ素子1は、具体的には、発光層200上にp型のクラッド層225が形成されている。そして、このクラッド層215上にはp型層側のDBR223が形成されている。DBR223は、複数種類の窒化物エピタキシャル層を交互に積層した多層膜構造となっている。たとえば、DBR223として、Al1-xGaxN(0<x<1)とGaNとを交互に積層した多層膜、あるいはAl1-xGaxN(0<x<1)とGa1-yInyN(0<y<1)とを交互に積層した多層膜構造などを用いることができる。そして、このDBR223上にp型のコンタクト層229を形成する。このコンタクト層229上には、上述したリング状の半導体側電極15が形成されている。そして、DBR223およびクラッド層225に、イオンを注入することにより絶縁化された絶縁化領域250bが形成されている。クラッド層225においては、ちょうどリング状の半導体側電極15の内周側の直下に位置する部分であって、n型の導電性GaN基板10の低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に、絶縁化領域250bが形成されていない平面形状が円形状の領域が形成されている。この領域が、発光領域200aとなる。この領域の幅D(直径)はたとえば5μmとすることができる。そして、DBR213、223の厚さTはたとえば3μm以上6μm以下とすることができる。
As shown in FIG. 7B, specifically, the surface emitting
このような構造では、導電性GaN基板10上に窒化物半導体層からなるDBR213、223を相対的に厚い膜厚(3μm以上6μm以下という膜厚)で形成できるので、発光層200において発光した光を2つのDBR213、223の間で十分に反射させることができる。この結果、十分な光量のレーザ光を発振させることができる。
In such a structure, the
また、実施形態4の面発光レーザ素子は、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているため、発光層200中の発光領域200aが導電性GaN基板10中の低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置していても、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布が均一となり、発光領域200a内の発光が均一となる。
Further, in the surface emitting laser element of Embodiment 4, the
実施形態4の面発光レーザ素子において、キャリア拡散層201は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上であることが好ましい。キャリア濃度が1×1017cm-3以上に高導電性を有し4μm以上に厚いキャリア拡散層201がを導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されることにより、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布がより均一になり、発光領域内の発光がより均一になる。
In the surface emitting laser element of Embodiment 4, the
また、低転位密度高導電領域10bが転位密度1×106cm-2未満でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域10cが転位密度1×106cm-2未満でキャリア濃度1×1018cm-3未満の領域であると、発光層中の発光領域における転位が低くなり、発光効率がより高くなる。
Further, the low dislocation density and high
(実施形態5)
本発明にかかる面発光レーザ素子のさらに他の具体例について説明する。実施形態5の面発光レーザ素子1は、その平面構造については、図8(a)に示すように、III−V族化合物半導体層20の最上層(コンタクト層229)上に、半導体側電極15とそれに電気的に接続されているパッド電極17が形成されている。また、その断面構造については、図8(b)に示すように、また、n型の導電性GaN基板10の一方の主面10m上に、III−V族化合物半導体層20として、キャリア拡散層201、n型のクラッド層215、発光層200、p型のクラッド層225、フォトニック結晶層233、p型のクラッド層226およびコンタクト層229が形成されている。このコンタクト層229上に半導体側電極15が形成されている。また、n型の導電性GaN基板10の他方の主面10n上に基板側電極11(n側電極)が形成されている。
(Embodiment 5)
Still another specific example of the surface emitting laser element according to the present invention will be described. With respect to the planar structure of the surface emitting
図8(b)に示した実施形態5の面発光レーザ素子においては、図6(b)に示した実施形態3の面発光レーザ素子のDBR213および誘電体ミラー103、または、図7(b)に示した実施形態4の面発光レーザ素子の一対のDBR213,223のような複雑な共振器構造はなく、2つのp型のクラッド層225および226の間に形成された2次元回折格子としてのフォトニック結晶層233により、面発光が可能となる。
In the surface emitting laser element of Embodiment 5 shown in FIG. 8B, the
また、図8(b)に示した実施形態5の面発光レーザ素子においては、III−V族化合物層20の最上層であるコンタクト層229上であって、導電性GaN基板10の低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に、半導体側電極15が形成されている。このように半導体側電極15が形成されていることにより、発光領域200aが低転位密度高導電領域10b内の上方に位置している。この発光領域200aの幅D(直径)はたとえば、50μm〜200μm程度とすることができる。
Further, in the surface emitting laser element of Embodiment 5 shown in FIG. 8B, the low dislocation density of the
実施形態5の面発光レーザ素子は、図8(a)および(b)を参照して、導電性GaN基板10の一方の主面10m上に、キャリア拡散層201、n型のクラッド層215、発光層200、p型のクラッド層225、フォトニック結晶層233、p型のクラッド層226、およびコンタクト層229が、この順序で積層されている。コンタクト層229上には半導体側電極15が設けられている。導電性GaN基板10の他方の主面10nには、基板側電極11(n側電極)が設けられている。半導体側電極15および基板側電極11は、たとえばAu(金)などよりなっている。
With reference to FIGS. 8A and 8B, the surface-emitting laser element of Embodiment 5 includes a
発光層200は、たとえばAlxGa1-x-yInyN(0≦x,y≦1,0≦x+y≦1)よりなる多重量子井戸により構成されている。また、単一の半導体材料よりなっていてもよい。発光層200は、フォトニック結晶層233に沿って設けられ所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されることができ、また、フォトニック結晶層233に沿って設けられ複数の量子箱として形成されることができる。各量子細線は、その長手方向と直交する2方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法(たとえば数十nm程度)を有する。各量子箱は、互いに直交する3方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法(たとえば数十nm程度)を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。
The
ここで、図9を参照して、フォトニック結晶層233について説明する。フォトニック結晶層233は、結晶層233aと、結晶層233aよりも低屈折率である複数の回折格子孔233bとを含んでいる。結晶層233aはGaNよりなっており、結晶層233aに形成された孔が回折格子孔233bである。つまり、回折格子孔233bは空気よりなっている。
Here, the
フォトニック結晶層233においては、結晶層233aの一種面に複数の回折格子孔233bが、三角格子または正方格子を形成するように設けられている。各々の回折格子孔223bは、柱状(例えば、円柱形状)の空間部として設けられている。各々の回折格子孔233bの中心とこれに隣接する回折格子孔233bの中心との距離PPは等しい値であり、たとえば0.16μmである。また、回折格子孔233bの直径DPはたとえば0.06μmである。
In the
フォトニック結晶層233において、結晶層233aは第1の屈折率(GaNの場合2.54)を有し、周期的に形成された回折格子孔233bは第2の屈折率(空気の場合1)を有する。回折格子孔233bには、結晶層233aと異なる物質を埋め込むことが可能である。しかしながら、第1の屈折率と第2の屈折率との差を大きくとるためには、回折格子孔233bは何も埋め込まない状態(気体、たとえば空気が存在する状態)であることが好ましい。このように屈折率の差を大きくとると、第1の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。なお、回折格子孔233bを埋め込む材料、つまり低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜(SiNx)などを用いることができる。
In the
フォトニック結晶層233は、第1の方向と、この方向と所定の角度をなす第2の方向とに対して、等しい周期(格子定数に対応する値)を有する回折格子である。フォトニック結晶層233には、上記の2方向およびそれらの方向の周期に関して様々な選択が可能である。また、少なくとも発光領域200a内に存在する導電性GaN基板10および結晶層233aの転位密度を1×106cm-2以下にすることにより、発光領域200a内に存在する結晶層223aに回折格子孔233bを形成するエッチング工程において、転位に起因する欠陥の集合体が生じなくなる。
The
ここで、実施形態5の面発光レーザ素子の面発光について説明する。図8(b)を参照して、半導体側電極15に正電圧を印加すると、p型のクラッド層225および226から発光層200へ正孔が注入され、n型のクラッド層215から発光層200へ電子が注入される。発光層200へ正孔および電子(正孔および電子を総称してキャリアという)が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、発光層200が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。
Here, the surface emission of the surface emitting laser element according to the fifth embodiment will be described. Referring to FIG. 8B, when a positive voltage is applied to the semiconductor-
発光層200において発生された光は、n型のクラッド層215およびp型のクラッド層225によって発光層200内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層233に到達する。フォトニック結晶層233に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層233が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において光は回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶層233によって位相が規定された光は、発光層200内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、フォトニック結晶層233において規定される光の波長および位相条件を満足している。
Light generated in the
このような現象は、発光層200およびフォトニック結晶層233が2次元的に広がりをもって形成されているので、発光領域233aにおいて生じうる。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光が、フォトニック結晶層233の主面233mに垂直な方向(図9の上方向)に、III−V族化合物半導体層20の最上層の主面から誘導放出される。
Such a phenomenon can occur in the
また、実施形態5の面発光レーザ素子は、発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているため、発光層200中の発光領域200aが導電性GaN基板10中の低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置していても、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布が均一となり、発光領域200a内の発光が均一となる。
Further, in the surface emitting laser element of Embodiment 5, the
実施形態5の面発光レーザ素子において、キャリア拡散層201は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上であることが好ましい。キャリア濃度が1×1017cm-3以上に高導電性を有し4μm以上に厚いキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されることにより、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布がより均一になり、発光領域内の発光がより均一になる。
In the surface emitting laser element of Embodiment 5, the
また、低転位密度高導電領域10bが転位密度1×106cm-2未満でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域10cが転位密度1×106cm-2未満でキャリア濃度1×1018cm-3未満の領域であると、発光層中の発光領域における転位が低くなり、発光効率がより高くなる。
Further, the low dislocation density and high
なお、実施形態5の半導体レーザ素子1の各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、導電性GaN基板10の厚さはたとえば100μmであり、フォトニック結晶層223の厚さはたとえば0.1μmであり、n型のクラッド層215およびp型のクラッド層226の各々の厚みはたとえば0.5μmであり、発光層200およびp型のクラッド層225の各々の厚みはたとえば0.1μmである。
The dimensions of the respective parts of the
上記実施形態3〜5においては、図6、図7および図8に示すように、いずれにおいても、1つの面発光レーザ素子1について1つの発光領域200aを有する素子を例示した。しかし、1つの面発光レーザ素子について発光領域は1つに限定されない。たとえば、図16に示すような1つの面発光レーザ素子1について複数の発光領域200aを有する素子は、1つの素子当たりの発光強度を高める観点から好ましい。
In the third to fifth embodiments, as illustrated in FIGS. 6, 7, and 8, the element having one
(実施形態6)
本発明にかかる面発光レーザアレイの製造方法は、図17および図18を参照して、面発光レーザ素子1を複数個含む面発光レーザアレイ2の製造方法であって、導電性GaN基板10として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域10aと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域10bと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN複領域基板を準備する工程と、導電性GaN複領域基板の一方の主面10m上に発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20を形成する半導体層形成工程と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に半導体層側電極15を形成し、導電性GaN複領域基板の他方の主面10n上に基板側電極11を形成する電極形成工程とを含み、半導体層形成工程において、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)と発光層200との間に形成し、半導体形成工程および電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15の少なくともいずれかを、面発光レーザアレイ2に含まれる各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように形成することを特徴とする。
(Embodiment 6)
A method of manufacturing a surface emitting laser array according to the present invention is a method of manufacturing a surface emitting
実施形態6の面発光レーザアレイの製造方法においては、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)と発光層200との間に形成するとともに、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15の少なくともいずれかを、面発光レーザアレイ2に含まれる各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように形成することにより、各々の面発光素子レーザ1の発光領域200a内に均一にキャリアが流入するため、発光領域200a内の発光が均一な面発光レーザアレイ2が得られる。
In the method of manufacturing the surface emitting laser array according to the sixth embodiment, the
実施形態6の面発光レーザアレイの製造方法において、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15の少なくともいずれかを、面発光レーザアレイ2に含まれる各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように形成する方法には、特に制限はないが、たとえば、以下の方法が好ましく用いられる。
In the method for manufacturing a surface emitting laser array according to the sixth embodiment, at least one of the group III-V
(実施形態6−1)
図17を参照して、実施形態6の面発光レーザアレイの製造方法における電極形成工程において、発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように、半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成することができる。実施形態6−1によれば、基板側電極11が低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の下方のみならず高転位密度高導電領域10aの下方までに拡がって形成されていても、半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成することにより、各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aを低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限することができる。
(Embodiment 6-1)
Referring to FIG. 17, in the electrode formation step in the method of manufacturing the surface emitting laser array according to the sixth embodiment, the
図17(a)および(b)を参照して、実施形態6−1の面発光レーザ素子においては、半導体側電極15が不透明の場合は、発光領域200a(直径D)内の発光は、上記半導体側電極15の外周の近傍領域(外周から5μm程度までの外側領域をいう、以下同じ)の主面のみから外部に取り出される。また、半導体側電極15内に1以上の開口部(図示せず)を設けることにより、その開口部から発光領域200a内の発光を外部に取り出すことができる。さらに、半導体側電極15を透明電極とすることにより、半導体側電極15の全領域から発光領域200a内の発光を外部に取り出すことができる。なお、図17(b)より明らかに、発光層200の発光領域200aは半導体側電極15の形成領域とほぼ一致するが、図17(a)においては見やすいように境界線をずらして描いている。
Referring to FIGS. 17A and 17B, in the surface emitting laser element of Embodiment 6-1, when the semiconductor-
(実施形態6−2)
図18を参照して、実施形態6の面発光レーザアレイの製造方法における半導体形成工程において、発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように、III−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成することができる。実施形態6−2によれば、半導体側電極15および基板側電極11が、それぞれ低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方または下方のみならず、高転位密度高導電領域10aの上方または下方までに拡がって形成されていても、III−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成することにより、各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aを低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限することができる。
Embodiment 6-2
Referring to FIG. 18, in the semiconductor formation step in the method of manufacturing the surface emitting laser array according to the sixth embodiment, the
ここで、キャリア狭窄領域250を形成する方法には、発明の目的を適合するものであれば特に制限はないが、たとえばメサエッチングによりメサ状に領域を区切る場合は、そのメサ側面部に入ったエッチングダメージにより、流入したキャリアの一部が再結合してしまう。かかるキャリアの再結合を防止する観点から、図6(b)に示すように絶縁体からなるキャリア狭窄層250aを形成する方法、図7(b)に示すようにイオン注入などにより絶縁化された絶縁化領域250bを形成する方法などが好ましく挙げられる。
Here, the method for forming the
図18(a)および(b)を参照して、実施形態6−2においては、各々の面発光レーザ素子1の半導体側電極15として、導電性GaN基板10の低転位密度高導電領域10b内の上方に開口領域が位置する開口部を有するリング状の半導体側電極15が形成されている。上記キャリア狭窄領域250により、発光領域200aが、リング状の半導体側電極15の開口領域内に制限されているため、各々の面発光レーザ素子1の発光領域200aの発光は、リング状の半導体側電極15の開口領域内から外部に取り出される。
18A and 18B, in the embodiment 6-2, the semiconductor-
各々の面発光レーザ素子の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aを低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限する方法として、実施形態6−1では半導体側電極15を低転位密度高導電領域10b内の上方の位置に形成する方法を、実施形態6−2ではIII−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成する方法を示したが、III−V族化合物半導体層20内にキャリア狭窄領域250を形成するとともに、半導体側電極15を低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に形成する方法を用いることも好ましい。
As a method for limiting the
また、実施形態6の面発光レーザアレイの製造方法によって得られる各々の面発光レーザ素子において、面発光を可能とするIII−V族化合物半導体層20の積層構造には、特に制限はないが、たとえば、図6(b)に示すようなn型層側のDBR(multilayer distributed Bragg reflector;ブラッグリフレクタ、以下同じ)213と誘電体ミラー103との組み合わせ構造、図7(b)に示すようなn型層側のDBR213とp型層側のDBR223との組み合わせ構造、図8(b)に示すようなフォトニック結晶層233を含む構造などが、好ましく挙げられる。
Further, in each surface emitting laser element obtained by the method of manufacturing the surface emitting laser array of Embodiment 6, there is no particular limitation on the laminated structure of the III-V group
実施形態6の面発光レーザアレイの製造方法において、高転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度高導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域であり、低転位密度低導電領域は転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域であることが好ましい。
かかる製造方法によれば、各々の面発光レーザ素子1について、発光層200中の発光領域200aの転位密度が低く、発光領域200a内の発光がより均一で発光効率がより高い面発光レーザアレイが歩留まりよく得られる。
In the method for manufacturing the surface emitting laser array of Embodiment 6, the high dislocation density and high conductivity region is a region having a dislocation density of 1 × 10 6 cm −2 or more and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more, and has a low dislocation density. The high conductive region is a region having a dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2 and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more, and the low dislocation density of the low conductive region is a dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2. And a carrier concentration of less than 1 × 10 18 cm −3 is preferred.
According to this manufacturing method, for each surface emitting
実施形態6の面発光レーザアレイの製造方法において、キャリア拡散層201は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上とすることが好ましい。かかる製造方法によれば、各々の面発光レーザ素子1について、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布をより均一にすることができ、発光領域200a内の発光がより均一な面発光レーザアレイが歩留まりよく得られる。
In the method for manufacturing the surface emitting laser array of Embodiment 6, the
(実施形態7)
本発明にかかる面発光レーザアレイは、図17および図18を参照して、面発光レーザ素子1を複数個含む面発光レーザアレイ2であって、面発光レーザ素子1は、導電性GaN基板10と、導電性GaN基板10の一方の主面10m上に形成されている発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に形成されている半導体層側電極15と、導電性GaN基板10の他方の主面10n上に形成されている基板側電極11とを含み、III−V族化合物半導体層20は、導電性GaN基板10と発光層200との間に形成され発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を含み、面発光レーザアレイ2は、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域10aと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域10bと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度が低くキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)を含み、面発光レーザアレイ2に含まれる各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが、低転位密度高導電領域10b内の上方に位置していることを特徴とする。
(Embodiment 7)
The surface-emitting laser array according to the present invention is a surface-emitting
実施形態7の面発光レーザアレイ2は、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているとともに、各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置しているため、各々の面発光レーザ素子1について、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布が均一となり、発光領域200a内の発光が均一となる。
In the surface emitting
実施形態7の面発光レーザアレイ2は、キャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているとともに、各々の面発光レーザ素子1の発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置する構造を有するものであれば特に制限はないが、たとえば、以下の実施形態7−1または実施形態7−2の構造を有するものが挙げられる。
In the surface emitting
(実施形態7−1)
実施形態7の面発光レーザアレイの一例は、図17(a)および(b)を参照して、以下のとおりである。すなわち、面発光レーザ素子1を複数個含む面発光レーザアレイ2である。ここで、面発光レーザ素子1は、導電性GaN基板10と、導電性GaN基板10の一方の主面10m上に形成されている発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に形成されている半導体層側電極15と、導電性GaN基板10の他方の主面10n上に形成されている基板側電極11とを含む。また、III−V族化合物半導体層20は、導電性GaN基板10と発光層200との間に形成され発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を201を含む。また、面発光レーザアレイ2は、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域10aと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域10bと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)を含む。また、面発光レーザアレイ2に含まれる各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置している。
(Embodiment 7-1)
An example of the surface emitting laser array of
(実施形態7−2)
実施形態7の面発光レーザアレイの他の例は、図18(a)および(b)を参照して、以下のとおりである。すなわち、面発光レーザ素子1を複数個含む面発光レーザアレイ2である。ここで、面発光レーザ素子1は、導電性GaN基板10と、導電性GaN基板10の一方の主面10m上に形成されている発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に形成されている半導体層側電極15と、導電性GaN基板10の他方の主面10n上に形成されている基板側電極11とを含む。III−V族化合物半導体層20は、導電性GaN基板10と発光層200との間に形成され発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を含む。また、面発光レーザアレイ2は、転位密度およびキャリア濃度が高く高転位密度高導電領域10aと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域10bと、高転位密度高導電領域10aに比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)を含む。また、面発光レーザアレイ2に含まれる各々の面発光レーザ素子1の発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置している。
(Embodiment 7-2)
Another example of the surface emitting laser array of the seventh embodiment is as follows with reference to FIGS. 18 (a) and 18 (b). That is, the surface emitting
なお、実施形態7の面発光レーザアレイにおいて、各々の面発光レーザ素子の面発光を可能とするIII−V族化合物半導体層20の積層構造には、図17(b)および図18(b)には記載されていないが、たとえば、図6(b)に示すようなn型層側のDBR(multilayer distributed Bragg reflector;ブラッグリフレクタ、以下同じ)203と誘電体ミラー103との組み合わせ構造、図7(b)に示すようなn型層側のDBR213とp型層側のDBR223との組み合わせ構造、図8(b)に示すようなフォトニック結晶層233を含む構造などが、好ましく挙げられる。
In the surface emitting laser array of the seventh embodiment, the stacked structure of the III-V group
実施形態7の面発光レーザアレイの導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)において、高転位密度高導電領域10aは転位密度が1×106cm-2以上でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域と、低転位密度高導電領域10bは転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域と、低転位密度低導電領域10cは転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域となり得る。かかる面発光レーザアレイ2は、キャリア拡散層201が導電性GaN基板10と発光層200との間に形成されているとともに、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域である低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に各々の面発光レーザ素子1の発光領域200aが位置しているため、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布が均一で、発光領域200a内の発光が均一で、発光効率が高くなる。
In the conductive GaN multi-region substrate (conductive GaN substrate 10) of the surface emitting laser array of the seventh embodiment, the high dislocation density high
実施形態7の面発光レーザアレイ2において、キャリア拡散層201は、キャリア濃度が1×1017cm-3以上であり厚さが4μm以上とすることができる。かかる面発光レーザアレイ2は、各々の面発光レーザ素子1について、発光領域200a内に流入するキャリアの面内分布がより均一となり、発光領域内の発光がより均一となる。
In the surface emitting
実施形態7の面発光レーザアレイ2は、図17および図18を参照して、たとえば、単一の導電性GaN基板10およびIII−V族化合物半導体層20の単一の積層体上に面発光レーザ素子1の単位素子を複数個並べる(1つの積層体を用いて複数の単位素子を形成する)ことにより構成されている。図17は、単位素子として図1に示した面発光レーザ素子を2列に並べたように配置したものである。また、図18は、単位素子として図2に示した面発光レーザ素子を2列に並べたように配置したものである。単位素子におけるパッド電極17には、それぞれ金からなるボンディングワイヤ70が接続固定されている。このような面発光レーザアレイにより、十分なレーザ光出力を得ることができる。
With reference to FIGS. 17 and 18, the surface-emitting
(実施例1)
実施形態3の面発光レーザ素子についての具体的な実施例を以下に説明する。まず、SiO2膜からなるドット状の種が400μm間隔で形成されているGaAs基板(下地基板)上に、HVPE法により、ドーパントとしてSiを用いて、ファセット成長をさせて、導電性GaN基板10として、転位密度が5×106cm-2でキャリア濃度が3×1018cm-3の高転位密度高導電領域10aと、転位密度が1×105cm-2でキャリア濃度が3×1018cm-3の低転位密度高導電領域10bと、転位密度が2×104cm-2でキャリア濃度が3×1015cm-3の低転位密度低導電領域10cとを含むn型の導電性GaN複領域基板を作製した。ここで、各領域における転位密度はEPD法により測定し、各領域におけるキャリア濃度はC−V法およびHall測定法により測定した。
(Example 1)
Specific examples of the surface emitting laser element according to Embodiment 3 will be described below. First, on a GaAs substrate (underlying substrate) on which dot-like seeds made of SiO 2 film are formed at intervals of 400 μm, facet growth is performed using Si as a dopant by the HVPE method, thereby forming a
次に、図6(b)を参照して、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の一方の主面10m上に発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20を形成し、このIII−V族化合物半導体層の最上層上にリング状の半導体層側電極15を形成し、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の他方の主面10n上に基板側電極11を形成した。
Next, referring to FIG. 6B, a plurality of III-V group compound semiconductors including a
ここで、複数のIII−V族化合物半導体層20は、MOCVD(有機金属化学気相体堆積)法により形成した。具体的には、以下のようにして、複数のIII−V族化合物層20を形成した。 Here, the plurality of group III-V compound semiconductor layers 20 were formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Specifically, a plurality of III-V group compound layers 20 were formed as follows.
まず、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)上に、キャリア拡散層201として、キャリア濃度が5×1017cm-3で厚さが5μmのn型GaN層を形成した。このキャリア拡散層201上にn型層側のDBR213を形成した。このDBR213としては、Al0.3Ga0.7N/GaN多層構造(Al0.3Ga0.7N層とGaN層とを交互に積層した積層構造)を採用した。ここで、Al0.3Ga0.7N層とGaN層との一組(1ペア)当たりの合計厚みは約86nmとし、60ペアの多層構造とした。このDBR213の平均のキャリア濃度は5×1016cm-3であった。このDBR213上にn型のクラッド層215を形成した。このクラッド層215上に発光層200としてGa0.9In0.1N/GaN多重量子井戸構造を形成した。具体的には、Ga0.9In0.1N層とGaN層とを交互に積層した多層構造を形成した。この発光層200上に、p型のクラッド層225を形成した。ここで、n型のクラッド層215はn型Al0.15Ga0.85Nクラッド層であり、p型のクラッド層225はp型Al0.15Ga0.85Nクラッド層である。
First, an n-type GaN layer having a carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 and a thickness of 5 μm was formed as a
次いで、p型のクラッド層225上にp型のコンタクト層227を形成した。ここで、p型のコンタクト層227はp+型GaNコンタクト層である。このp型のコンタクト層227上にSiO2絶縁体からなる電流狭窄層250aを形成した。ここで、電流狭窄層250aによって指定される発光領域(電流狭窄層250aにより形成された平面形状が円形の開口部により規定される領域)200aが、導電性GaN基板10の低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置するように、電流狭窄層250aを形成した。また、発光領域200aの直径Dは5μmとした。この発光領域200a内の下方に位置する低転位密度高導電領域10bと低転位密度低導電領域10cとの面積比は、2:1であった。この電流狭窄層250a上に上記p型のコンタクト層227と同じ化学組成のp型のコンタクト層229を形成した。
Next, a p-
次いで、このp型コンタクト層229上にリング状の半導体側電極15(p側電極)および誘電体ミラー103を形成し、導電性GaN基板10の他方の主面10n上に基板側電極11(n側電極)を形成して、本実施例の面発光レーザ素子を得た。ここで、誘電体ミラー103としては、420nm近傍の波長の光について99%の反射率を有するZnS/MgF2多層膜(12ペア)を採用した。ここで、誘電体ミラー103の形成領域103aが発光領域200aの全領域を含むように、誘電体ミラー103を形成した。なお、誘電体ミラー103を囲むように配置されたリング状の半導体側電極15は、上述した発光領域へ電流を注入するためのものである。
Next, a ring-shaped semiconductor-side electrode 15 (p-side electrode) and a
得られた面発光レーザ素子に、電流を注入したところ、4kA/cm2以上の電流密度においてレーザ発振が認められ、その発光は均一であった。 When a current was injected into the obtained surface emitting laser element, laser oscillation was observed at a current density of 4 kA / cm 2 or more, and the light emission was uniform.
(比較例1)
導電性GaN基板10の一方の主面上に、キャリア拡散層201を形成せずに、n型層側のDBR213を直接形成したこと以外は、実施例1と同様にして、面発光レーザ素子を得た。得られた面発光レーザ素子に、電流を注入したところ、8kA/cm2以上の電流密度においてレーザ発振が認められ、その発光は均一でなかった。
(Comparative Example 1)
A surface-emitting laser device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the n-type layer-
(実施例2)
実施形態4の面発光レーザ素子についての具体的な実施例を以下に説明する。まず、実施例1と同様の特性を有する導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)を作製した。次に、図7(b)を参照して、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の一方の主面10m上に発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20を形成し、このIII−V族化合物半導体層の最上層上にリング状の半導体層側電極15を形成し、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の他方の主面10n上に基板側電極11を形成して、発光層200の発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置するようにした。
(Example 2)
Specific examples of the surface emitting laser element according to Embodiment 4 will be described below. First, a conductive GaN multi-region substrate (conductive GaN substrate 10) having the same characteristics as in Example 1 was produced. Next, referring to FIG. 7B, a plurality of group III-V compound semiconductors including a
ここで、複数のIII−V族化合物半導体層20は、MOCVD(有機金属化学気相体堆積)法により形成した。具体的には、以下のようにして、複数のIII−V族化合物層20を形成した。 Here, the plurality of group III-V compound semiconductor layers 20 were formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Specifically, a plurality of III-V group compound layers 20 were formed as follows.
実施例1と同様にして、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)上に、キャリア拡散層201(n型GaN層)、n型層側のDBR213(60ペアのAl0.3Ga0.7N/GaN多層構造。なお、Al0.3Ga0.7N層とGaN層との1ペア当たりの合計厚みは約80nmとした。また、平均のキャリア濃度は5×1016cm-3であった。)、n型のクラッド層215(n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層)、発光層200(Ga0.9In0.1N/GaN多重量子井戸構造)およびp型のクラッド層225(p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層)を順次形成した。 Similarly to Example 1, a carrier diffusion layer 201 (n-type GaN layer) and DBR 213 (60 pairs of Al 0.3 on the n-type layer side) are formed on an n-type conductive GaN multi-region substrate (conductive GaN substrate 10). Ga 0.7 N / GaN multilayer structure, where the total thickness per pair of Al 0.3 Ga 0.7 N layer and GaN layer was about 80 nm, and the average carrier concentration was 5 × 10 16 cm −3 . ), N-type cladding layer 215 (n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer), light-emitting layer 200 (Ga 0.9 In 0.1 N / GaN multiple quantum well structure) and p-type cladding layer 225 (p-type Al 0.15 Ga) 0.85 N clad layer) was sequentially formed.
次いで、p型のクラッド層225上に、p型層側のDBR223を形成した。ここで、DBR223は、60ペアのAl0.3Ga0.7N/GaN多層構造(Al0.3Ga0.7N層とGaN層とを交互に積層した積層構造)、すなわち、DBR213と同一の構造を採用した。なお、Al0.3Ga0.7N層とGaN層との1ペア当たりの合計厚みは約80nmとした。このDBR223の平均のキャリア濃度は、3×1016cm-3であった。このDBR223上に、p型のコンタクト層229としてp+型GaNコンタクト層を形成した。
Next, the
次いで、メサエッチングおよびイオン注入による選択的部分絶縁化により、p型のグラッド層225およびDBR223の一部に絶縁化領域250bを形成した。この絶縁化領域250bによって指定される発光領域(絶縁化領域250bにより形成された平面形状が円形の開口部により規定される領域)200aが、導電性GaN基板10に含まれる低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に位置するように、絶縁化領域250bを形成した。また、発光領域200aの直径Dは5μmとした。
Next, an
次いで、このp型のコンタクト層229上にリング状の半導体側電極15(p側電極)を形成し、導電性GaN基板10の他の主面10n上に基板側電極11(n側電極)を形成して、本実施例の面発光レーザ素子を得た。
Next, a ring-shaped semiconductor-side electrode 15 (p-side electrode) is formed on the p-
得られた面発光レーザ素子に、電流を注入したところ、3.2kA/cm2以上の電流密度においてレーザ発振が認められ、その発光は均一であった。 When a current was injected into the obtained surface emitting laser element, laser oscillation was observed at a current density of 3.2 kA / cm 2 or more, and the light emission was uniform.
(実施例3)
実施形態5の面発光レーザ素子についての具体的な実施例を以下に説明する。まず、実施例1と同様の特性を有する導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)を作製した。次に、図8(b)を参照して、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の一方の主面10m上に発光層200を含む複数のIII−V族化合物半導体層20を形成し、このIII−V族化合物半導体層の最上層上に半導体層側電極15を形成し、n型の導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)の他方の主面10n上に基板側電極11を形成して、発光層200の発光領域200aが低転位密度高導電領域10b内の上方に位置するようにした。
(Example 3)
Specific examples of the surface emitting laser element according to Embodiment 5 will be described below. First, a conductive GaN multi-region substrate (conductive GaN substrate 10) having the same characteristics as in Example 1 was produced. Next, referring to FIG. 8B, a plurality of III-V group compound semiconductors including a
ここで、複数のIII−V族化合物半導体層20は、MOCVD(有機金属化学気相体堆積)法により形成した。具体的には、以下のようにして、複数のIII−V族化合物層20を形成した。 Here, the plurality of group III-V compound semiconductor layers 20 were formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Specifically, a plurality of III-V group compound layers 20 were formed as follows.
図10を参照して、導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)上に、
キャリア拡散層201(n型GaN層)、n型のクラッド層215(n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層)、発光層200(Ga0.9In0.1N/GaN多重量子井戸構造)、p型のグラッド層225(p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層)およびフォトニック結晶を形成するための結晶層233a(GaN層)を順次形成した。
Referring to FIG. 10, on a conductive GaN multi-region substrate (conductive GaN substrate 10),
Carrier diffusion layer 201 (n-type GaN layer), n-type cladding layer 215 (n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer), light-emitting layer 200 (Ga 0.9 In 0.1 N / GaN multiple quantum well structure), p-type grad A layer 225 (p-type Al 0.15 Ga 0.85 N clad layer) and a
次に、図11を参照して、電子ビーム露光によって結晶層233a上に所定パターンのレジスト30を形成した。すなわち、電子ビーム露光用フォトレジスト(日本ゼオン社製ZEP520)を塗布し、電子ビーム露光機を用いて微細孔のレジストパターンを描画した。レジスト30のパターンは正方格子とし、0.16μmの間隔で直径0.06μmの微細孔とした。
Next, referring to FIG. 11, resist 30 having a predetermined pattern was formed on
次に、図12を参照して、レジスト30をマスクとして結晶層233aをICP(Inductively coupled plasma)−RIE(Reactive Ion Etching)法を用いてエッチングし、結晶層233aの所定の位置に深さ0.1μmの回折格子孔233bを形成し、フォトニック結晶層233を形成した。こうして、第1の積層体21を得た。エッチングは、塩素ガスと少量の希ガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いて、0.4Pa程度の高真空中で行なった。このため、平坦性および垂直性の高いエッチングができた。
Next, referring to FIG. 12, the
一方、図13を参照して、図12の第1の積層体21とは別に、下地基板40(サファイア基板)上に、MOCVD法により、剥離層41(In0.4Ga0.6N層)、p型のコンタクト層229(p+型GaNコンタクト層)およびp型のグラッド層226(p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層)を形成して、第2の積層体22を得た。
On the other hand, referring to FIG. 13, apart from the first
次に、図14を参照して、第1の積層体21のフォトニック結晶層233と第2の積層体22のp型のクラッド層226とが互いに対向するように、第1の積層体21と第2の積層体22との融着貼り付けを行なった。この融着貼り付けは、窒素雰囲気において700℃の温度で行なった。
Next, referring to FIG. 14, the first
次に、図15を参照して、剥離層41をレーザ光を照射しながら横方向からエッチングすることにより剥離層22を選択的に除去した。これにより、下地基板40からIII−V族化合物半導体層20の最上層であるp型のコンタクト層229が分離して、このコンタクト層229の上面が光放出面として露出した。
Next, referring to FIG. 15, the
次に、図8(b)を参照して、発光層200の発光領域200aが、導電性GaN基板10に含まれる低転位密度高導電領域10b内の上方に位置するように、p型のコンタクト層229上に、低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方の位置に半導体側電極15(p側電極)を形成した。この半導体側電極15の下方にその形成領域にほぼ一致して形成される発光領域200a内の下方に位置する低転位密度高導電領域10bと低転位密度低導電領域10cとの面積比は、2:1であった。次いで、導電性GaN基板10nの他方の主面10上に基板側電極11(n側電極)を形成して、本実施例の面発光レーザ素子を得た。
Next, referring to FIG. 8B, the p-type contact is made such that the
得られた面発光レーザ素子に、電流を注入したところ、4kA/cm2以上の電流密度においてレーザ発振が認められ、その発光は均一であった。 When a current was injected into the obtained surface emitting laser element, laser oscillation was observed at a current density of 4 kA / cm 2 or more, and the light emission was uniform.
上記のように、図6、7および8を参照して、面発光レーザ素子1の製造において、導電性GaN基板10として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域10aと、高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域10bと、高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域10cとを含む導電性GaN複領域基板を準備し、導電性GaN複領域基板の一方の主面10m上に発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層20を形成する半導体層形成工程と、III−V族化合物半導体層20の最上層上に半導体層側電極15を形成し、導電性GaN複領域基板の他方の主面10n上に基板側電極11を形成する電極形成工程とを含み、半導体層形成工程において、発光層200に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層201を導電性GaN複領域基板(導電性GaN基板10)と発光層200との間に形成し、半導体形成工程および電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、III−V族化合物半導体層20および半導体側電極15の少なくともいずれかを発光層200中でキャリアが流入する発光領域200aが低転位密度高導電領域10bおよび低転位密度低導電領域10c内の上方に制限されるように形成することにより、発光領域内に均一に電流が流入する電流が均一で、発光領域内の発光が均一な面発光レーザ素子1が歩留まりよく得られた。
As described above, with reference to FIGS. 6, 7 and 8, in the manufacture of the surface emitting
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 面発光レーザ素子、2 面発光レーザアレイ、10 導電性GaN基板、10a 高転位密度高導電領域、10b 低転位密度高導電領域、10c 低転位密度低導電領域、10m,10n,233m 主面、11 基板側電極、15 半導体側電極、17 パッド電極、20,210,220 III−V族化合物半導体層、21 第1の積層体、22 第2の積層体、30 レジスト、40 下地基板、41 剥離層、70 ボンディングワイヤ、103 誘電体ミラー、103a 形成領域、200 発光層、200a 発光領域、201 キャリア拡散層、213,223 DBR、215,225,226 クラッド層、227,229 コンタクト層、233 フォトニック結晶層、233a 結晶層、233b 回折格子孔、250 キャリア狭窄領域、250a キャリア狭窄層、250b 絶縁化領域。 1 surface emitting laser element, 2 surface emitting laser array, 10 conductive GaN substrate, 10a high dislocation density high conductive region, 10b low dislocation density high conductive region, 10c low dislocation density low conductive region, 10m, 10n, 233m main surface, 11 substrate side electrode, 15 semiconductor side electrode, 17 pad electrode, 20, 210, 220 III-V group compound semiconductor layer, 21 first laminated body, 22 second laminated body, 30 resist, 40 base substrate, 41 peeling Layer, 70 bonding wire, 103 dielectric mirror, 103a formation region, 200 light emitting layer, 200a light emitting region, 201 carrier diffusion layer, 213, 223 DBR, 215, 225, 226 clad layer, 227, 229 contact layer, 233 photonic Crystal layer, 233a Crystal layer, 233b Diffraction grating hole, 250 carriers Constriction region, 250a Carrier confinement layer, 250b Insulating region.
Claims (20)
導電性GaN基板として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域と、前記高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域と、前記高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域とを含む導電性GaN複領域基板を準備する工程と、
前記導電性GaN複領域基板の一方の主面上に発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記III−V族化合物半導体層の最上層上に半導体層側電極を形成し、前記導電性GaN複領域基板の他方の主面上に基板側電極を形成する電極形成工程とを含み、
前記半導体層形成工程において、前記発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を前記導電性GaN複領域基板と前記発光層との間に形成し、
前記半導体形成工程および前記電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、前記III−V族化合物半導体層および前記半導体側電極の少なくともいずれかを前記発光層中でキャリアが流入する発光領域が前記低転位密度高導電領域および前記低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように形成することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。 A method of manufacturing a surface emitting laser element,
As a conductive GaN substrate, a high dislocation density and high conductivity region with high dislocation density and carrier concentration, a low dislocation density and high conductivity region with a lower dislocation density than the high dislocation density and high conductivity region, and the high dislocation density and high conductivity region A step of preparing a conductive GaN multi-region substrate including a low dislocation density and low conductivity region having a low dislocation density and carrier concentration compared to
A semiconductor layer forming step of forming a plurality of III-V compound semiconductor layers including a light emitting layer on one main surface of the conductive GaN multi-region substrate;
Forming a semiconductor layer side electrode on the uppermost layer of the III-V compound semiconductor layer, and forming a substrate side electrode on the other main surface of the conductive GaN multi-region substrate,
In the semiconductor layer forming step, a carrier diffusion layer that makes the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer uniform is formed between the conductive GaN multi-region substrate and the light emitting layer,
In at least one of the semiconductor formation step and the electrode formation step, a light emitting region into which carriers flow in at least one of the III-V compound semiconductor layer and the semiconductor side electrode in the light emitting layer is the low dislocation. A method of manufacturing a surface-emitting laser element, characterized by being formed so as to be restricted above the high density conductive region and the low dislocation density low conductive region.
前記導電性GaN基板は、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3以上の領域である低転位密度高導電領域と、転位密度が1×106cm-2未満でキャリア濃度が1×1018cm-3未満の領域である低転位密度低導電領域とを含み、
前記III−V族化合物半導体層は、前記導電性GaN基板と前記発光層との間に形成され前記発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を含み、
前記発光層中でキャリアが流入する発光領域が前記低転位密度高導電領域および前記低転位密度低導電領域内の上方に位置していることを特徴とする面発光レーザ素子。 Formed on a conductive GaN substrate, a plurality of III-V compound semiconductor layers including a light emitting layer formed on one main surface of the conductive GaN substrate, and an uppermost layer of the III-V compound semiconductor A surface emitting laser element including a semiconductor layer side electrode that is formed and a substrate side electrode formed on the other main surface of the conductive GaN substrate,
The conductive GaN substrate has a low dislocation density high conductivity region in which a dislocation density is less than 1 × 10 6 cm −2 and a carrier concentration is 1 × 10 18 cm −3 or more, and a dislocation density is 1 × 10 6 cm. A low dislocation density low conductivity region that is a region of less than −2 and a carrier concentration of less than 1 × 10 18 cm −3 ,
The III-V compound semiconductor layer includes a carrier diffusion layer that is formed between the conductive GaN substrate and the light emitting layer and uniforms an in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer,
A surface-emitting laser element, wherein a light-emitting region into which carriers flow in the light-emitting layer is located above the low dislocation density and high conductivity region and the low dislocation density and low conductivity region.
前記導電性GaN基板として、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域と、前記高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域と、前記高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域とを含む導電性GaN複領域基板を準備する工程と、
前記導電性GaN複領域基板の一方の主面上に発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記III−V族化合物半導体層の最上層上に半導体層側電極を形成し、前記導電性GaN複領域基板の他の主面上に基板側電極を形成する電極形成工程とを含み、
前記半導体層形成工程において、前記発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を前記導電性GaN複領域基板と前記発光層との間に形成し、
前記半導体形成工程および前記電極形成工程の少なくともいずれかの工程において、前記III−V族化合物半導体層および前記半導体側電極の少なくともいずれかを、前記面発光レーザアレイに含まれる各々の前記面発光レーザ素子の前記発光層中でキャリアが流入する発光領域が前記低転位密度高導電領域および前記低転位密度低導電領域内の上方に制限されるように形成することを特徴とする面発光レーザアレイの製造方法。 A method of manufacturing a surface emitting laser array including a plurality of surface emitting laser elements,
As the conductive GaN substrate, a high dislocation density and high conductivity region having a high dislocation density and a carrier concentration, a low dislocation density and high conductivity region having a dislocation density lower than that of the high dislocation density and high conductivity region, and the high dislocation density and high conductivity. Preparing a conductive GaN multi-region substrate including a low dislocation density and low conductivity region having a low dislocation density and carrier concentration compared to the region;
A semiconductor layer forming step of forming a plurality of III-V compound semiconductor layers including a light emitting layer on one main surface of the conductive GaN multi-region substrate;
Forming a semiconductor layer side electrode on the uppermost layer of the III-V compound semiconductor layer, and forming a substrate side electrode on the other main surface of the conductive GaN multi-region substrate,
In the semiconductor layer forming step, a carrier diffusion layer that makes the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer uniform is formed between the conductive GaN multi-region substrate and the light emitting layer,
Each surface emitting laser included in the surface emitting laser array includes at least one of the III-V compound semiconductor layer and the semiconductor side electrode in at least one of the semiconductor forming step and the electrode forming step. A surface-emitting laser array, characterized in that a light-emitting region into which carriers flow in the light-emitting layer of the element is restricted above the low dislocation density and high conductivity region and the low dislocation density and low conductivity region. Production method.
前記面発光レーザ素子は、導電性GaN基板と、前記導電性GaN基板の一方の主面上に形成されている発光層を含む複数のIII−V族化合物半導体層と、前記III−V族化合物半導体層の最上層上に形成されている半導体層側電極と、前記導電性GaN基板の他方の主面上に形成されている基板側電極とを含み、 前記III−V族化合物半導体層は、前記導電性GaN基板と前記発光層との間に形成され前記発光層に流入するキャリアの面内分布を均一にするキャリア拡散層を含み、
前記面発光レーザアレイは、転位密度およびキャリア濃度が高い高転位密度高導電領域と、前記高転位密度高導電領域に比べて転位密度が低い低転位密度高導電領域と、前記高転位密度高導電領域に比べて転位密度およびキャリア濃度が低い低転位密度低導電領域とを含む導電性GaN複領域基板を含み、
前記面発光レーザアレイに含まれる各々の前記面発光レーザ素子の前記発光層中でキャリアが流入する発光領域が、前記低転位密度高導電領域および前記低転位密度低導電領域内の上方に位置していることを特徴とする面発光レーザアレイ。 A surface emitting laser array including a plurality of surface emitting laser elements,
The surface-emitting laser element includes a conductive GaN substrate, a plurality of III-V compound semiconductor layers including a light-emitting layer formed on one main surface of the conductive GaN substrate, and the III-V compound A semiconductor layer side electrode formed on the uppermost layer of the semiconductor layer, and a substrate side electrode formed on the other main surface of the conductive GaN substrate, the III-V group compound semiconductor layer, A carrier diffusion layer that is formed between the conductive GaN substrate and the light emitting layer and makes the in-plane distribution of carriers flowing into the light emitting layer uniform;
The surface emitting laser array includes a high dislocation density and high conductivity region having a high dislocation density and a carrier concentration, a low dislocation density and high conductivity region having a dislocation density lower than that of the high dislocation density and high conductivity region, and the high dislocation density and high conductivity. A conductive GaN multi-region substrate including a low dislocation density and a low conductive region having a low dislocation density and carrier concentration compared to the region;
A light emitting region into which carriers flow in the light emitting layer of each of the surface emitting laser elements included in the surface emitting laser array is located above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. A surface emitting laser array characterized by comprising:
A carrier confinement region is formed in the group III-V compound semiconductor layer so that the light emitting region is located above the low dislocation density high conductive region and the low dislocation density low conductive region. The surface emitting laser array according to claim 16.
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