JP2025078194A - 垂直共振器型発光素子及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光に寄与しない電子が発光層から外部にオーバーフローすることを抑制可能な垂直共振器型発光素子及び発光装置を提供する。
【解決手段】第１の導電型を有する基板と、基板上に形成された第１の導電型を有する第１の多層膜反射鏡と、その上に形成された第１の導電型を有する第１の半導体層１４、その上に形成され多重量子井戸構造を有する発光層１５、その上に形成された第２の半導体層１６、その上に形成され、複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造を有するキャリアトラップ層１７、その上に形成された第１の導電型と反対の第２の導電型を有する第３の半導体層１９を含む半導体構造層と、その上に形成され、第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の導電型を有する第２の多層膜反射鏡とを有し、複数の量子井戸の各々の量子井戸内において電子が取り得る量子準位の最低量子準位は、第３の半導体層に近い量子井戸の方が低くなる。
【選択図】図５

Description

本発明は、垂直共振器型発光素子及び発光装置に関する。

半導体レーザの１つとして垂直共振器型発光素子が知られている。例えば、特許文献１には、第１の反射鏡、ｎ型半導体スペーサ層、活性層、ｐ型半導体スペーサ層及び第２の反射鏡を含み、上方に向けて赤色光を出射する垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）が開示されている。

特開２００８－２２７４６９

特許文献１に開示されている垂直共振器型面発光レーザ（以下、面発光レーザとも称する）においては、活性層に注入された電子が活性層に隣接するｐ型スペーサ層を越えてリーク電流として漏れ出ることを抑制するために、ｐ型半導体スペーサ層の層厚を１００ｎｍ～３５０ｎｍと厚く形成している。

しかしながら、特許文献１に開示されているような面発光レーザに通電した場合、ｐ型半導体スペーサ層の層厚が厚いことにより抵抗が増加してしまい、面発光レーザの発熱量が増加してしまう恐れがある。例えば面発光レーザの発熱量が増加した場合、活性層からリークする電流が却って増加してしまう恐れがある。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、発光に寄与しない電子が発光層から外部にオーバーフローすることを抑制可能な垂直共振器型発光素子及び発光装置を提供することを目的とする。

本発明による垂直共振器型発光素子は、第１の導電型を有する基板と、基板上に形成された第１の導電型を有する第１の多層膜反射鏡と、第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する第１の半導体層、第１の半導体層上に形成されかつ多重量子井戸構造を有する発光層、発光層上に形成された第２の半導体層、第２の半導体層上に形成され、複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造を有するキャリアトラップ層、及びキャリアトラップ層上に形成された第１の導電型と反対の第２の導電型を有する第３の半導体層を含む半導体構造層と、半導体構造層上に形成され、第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の導電型を有する第２の多層膜反射鏡と、を有し、複数の量子井戸の各々の量子井戸内において電子が取り得る量子準位のうちエネルギー的に最も低い量子準位である最低量子準位は、第３の半導体層に近い量子井戸の方が低くなる傾向を有することを特徴としている。

実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの斜視図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの上面図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの断面図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの断面の一部を拡大した拡大図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザにおけるオーバーフロー抑制層とその近傍のエネルギーバンド図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザにおけるオーバーフロー抑制層とその近傍のバンドベンディングの態様を示す図である。 実施例１の垂直共振器型面発光レーザの適用例に係る発光装置の断面図である。 実施例２に係る垂直共振器型面発光レーザの断面の一部を拡大した拡大図である。 実施例２に係る垂直共振器型面発光レーザにおけるオーバーフロー抑制層とその近傍のエネルギーバンド図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して具体的に説明する。なお、図面において同一の構成要素については同一の符号を付け、重複する構成要素の説明は省略する。

図１～図３を用いて、実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザ１００（以下、面発光レーザ１００と称する）の構成について説明する。図１は、面発光レーザ１００の斜視図である。図２は、面発光レーザ１００の上面図である。図３は、図２に示した面発光レーザ１００の３－３線に沿った断面図である。なお、図３においては図中上下方向が面発光レーザ１００の高さ方向である。

基板１１は、上面形状が矩形を有し、導電性を有する平板状の基板である。基板１１は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる基板にシリコン（Ｓｉ）等の第１の導電型としてのｎ型の不純物をドーピングすることで作製される。基板１１は、上面に半導体結晶を成長させることが可能な結晶成長用基板である。

以下の説明においては、図２及び図３に示すように、基板１１の上面の中心を通りかつ当該上面に垂直な軸を中心軸ＣＡとする。また、中心軸ＣＡから半径方向に離れる方向を外方とする。

第１の多層膜反射鏡１２は、基板１１の上面に成長させられたｎ型半導体層からなる半導体多層膜反射鏡である。第１の多層膜反射鏡１２は、基板１１の上面に相対的に屈折率が高い高屈折率半導体膜と当該高屈折率半導体膜よりも屈折率が低い低屈折率半導体膜とが交互に積層された、いわゆる分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）である。

第１の多層膜反射鏡１２は、例えば、基板１１の上面にＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率半導体膜とＡｌ_ｘＧａ_１―ｘＡｓ（０．９＜ｘ＜０．９５）からなる低屈折率半導体膜とが５０～６０ペア積層されてなる。第１の多層膜反射鏡１２は、赤色の波長域（６２０ｎｍ～７５０ｎｍ）の光に対して反射性を有するように各層の層厚が設定されている。

半導体構造層ＥＭは、第１の多層膜反射鏡１２上に形成された複数の半導体層からなる積層構造体である。半導体構造層ＥＭは、第１の多層膜反射鏡１２上に形成されたｎ型半導体層１４、ｎ型半導体層１４上に形成された発光層１５、発光層１５上に形成されかつ発光層１５から到達する電子のオーバーフローを抑制するオーバーフロー抑制層ＯＳＬ、及びオーバーフロー抑制層ＯＳＬ上に形成されたｐ型半導体層１９から構成されている。

半導体構造層ＥＭは、例えば基板１１を６°傾けた状態で半導体結晶をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法によりエピタキシャル成長させることによって形成される。

第１の導電型を有する第１の半導体層としてのｎ型半導体層１４は、第１の多層膜反射鏡１２の上面の略中央に形成された上面形状が円形の半導体層である。ｎ型半導体層１４は、例えばＡｌ_０．５２Ｇａ_０．４８Ａｓからなり、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされている。

発光層１５は、ｎ型半導体層１４の上面に亘って形成されている。面発光レーザ１００において、発光層１５は、その発光中心が中心軸ＣＡ上に位置するように形成されている。発光層１５は、例えば６３０ｎｍ～６９０ｎｍの波長域にピーク波長を有する赤色光を放出する。

オーバーフロー抑制層ＯＳＬは、発光層１５の上面に亘って形成された第２の半導体層としてのスペーサ層１６とスペーサ層１６の上面に亘って形成されたキャリアトラップ層１７とから構成される半導体層である。

第２の導電型を有する第３の半導体層としてのｐ型半導体層１９は、キャリアトラップ層１７の上面に亘って形成されている半導体層である。ｐ型半導体層１９は、Ａｌ_０．５２Ｇａ_０．４８Ａｓからなり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされている。

なお、ｐ型半導体層１９にドーピングするｐ型不純物としては、Ｍｇのほか、亜鉛（Ｚｎ）やベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）であってもよい。また、上述したｎ型半導体層１４及びｐ型半導体層１９の材料としてはＡｌＧａＩｎＰを用いてもよい。

以下、図４を参照しつつ、図３における発光層１５及びオーバーフロー抑制層ＯＳＬの詳細な構成について説明する。図４は、図３における面発光レーザ１００のＡ部の拡大図である。

発光層１５は、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）からなる井戸層１５Ｗ及び（Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６６）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐからなる障壁層１５Ｂが交互に積層された多重量子井戸構造を有する半導体層である。発光層１５において、井戸層１５Ｗの各々は互いに同じ層厚ｔｗを有している。

スペーサ層１６は、ノンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる半導体層である。スペーサ層１６は、発光層１５内に存在する比較的低エネルギーの電子をキャリアトラップ層１７内に呼び込まないような層厚ｔ１を有している。

スペーサ層１６の層厚ｔ１は、物質内を電子が拡散する際の移動距離、いわゆる電子の拡散長よりも長いことが好ましく、少なくとも１０ｎｍ以上を有していることが好ましい。また、スペーサ層１６の層厚ｔ１は、厚くなるほど面発光レーザ１００の通電時における抵抗が増加するため、２０ｎｍ以下であることが好ましい。

キャリアトラップ層１７は、複数の量子井戸を形成するようにスペーサ層１６上に井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する半導体層である。すなわち、上述したスペーサ層１６は、キャリアトラップ層１７における最初の量子井戸を形成するための障壁層としても機能する。

キャリアトラップ層１７は、図４に示すように、スペーサ層１６上に形成された第１の井戸層３１、第１の井戸層３１上に形成された第１の障壁層３２、第１の障壁層３２上に形成された第２の井戸層３３、第２の井戸層３３上に形成された第２の障壁層３４、及び第２の障壁層３４上に形成された第３の井戸層３５から構成される。なお、各井戸層及び障壁層は、スペーサ層１６を含め必ずしもそれぞれ交互に３層積層された構造でなくともよく、少なくとも各層が交互に２層以上積層されていればよい。

本実施例の面発光レーザ１００において、第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の各々は、ｐ型半導体層１９に近づくほど層厚が順に大きくなっている。すなわち、層厚ｔ２、層厚ｔ３及び層厚ｔ４の各々は、図４中の上方に向かうにつれてこの順で大きくなっている。

本実施例の面発光レーザ１００において、層厚ｔ２、層厚ｔ３及び層厚ｔ４のうち最大の厚みである層厚ｔ４は、発光層１５の井戸層１５Ｗの層厚ｔｗよりも小さくなるように形成されている。例えば、層厚ｔｗが８ｎｍであるとき、層厚ｔ２は０．６ｎｍであり、層厚ｔ３は１．２ｎｍであり、層厚ｔ３は２．４ｎｍである。これにより、各井戸層の量子準位が発光層１５の量子準位よりも高くなり、発光層１５で発光される光の各井戸層での光吸収が生じることなく、発光層１５から到達する電子のオーバーフローを抑制する作用が得られる。

本実施例の面発光レーザ１００において、第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の各々は、ノンドープのＧａＩｎＰからなる。また、面発光レーザ１００において、第１の障壁層３２及び第２の障壁層３４の各々は、ノンドープのＡｌ_０．５２Ｇａ_０．４８Ａｓからなる。なお、第１の障壁層３２及び第２の障壁層３４の各々は、ＡｌＧａＩｎＰ、又はＡｌＩｎＰを用いてもよい。

再び図３を参照する。電流狭窄層２１は、ｐ型半導体層１９の上面の略中央に形成された上面形状が円形の中央部分２１Ａと当該中央部分２１Ａを取り囲む外周部分２１Ｂとから構成される層である。

電流狭窄層２１においては、例えば、ｐ型半導体層１９の上面に亘ってアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）からなるバルク膜を形成し、この上に後述する第２の多層膜反射鏡２３を形成した後に、高温の水蒸気雰囲気下でバルク膜の外周部分のみを選択的に酸化処理することにより、外周部分２１Ｂが形成される。すなわち、外周部分２１Ｂは、ＡｌＧａＡｓの酸化物からなる部分であり、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる。

電流狭窄層２１において、中央部分２１Ａは、ｐ型半導体層１９と第２の多層膜反射鏡２３とを電気的に接続している。すなわち、中央部分２１Ａは、電流狭窄層２１中における低抵抗領域として機能する。一方で、外周部分２１Ｂは、ｐ型半導体層１９と第２の多層膜反射鏡２３とを電気的に絶縁している。すなわち、外周部分２１Ｂは、電流狭窄層２１中における高抵抗領域として機能する。

第２の多層膜反射鏡２３は、電流狭窄層２１上に成長させられたｐ型半導体層からなる半導体多層膜反射鏡である。第２の多層膜反射鏡２３は、第１の多層膜反射鏡１２と同様に、相対的に屈折率が高い高屈折率半導体膜と当該高屈折率半導体膜よりも屈折率が低い低屈折率半導体膜とが交互に積層された、いわゆる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。

第２の多層膜反射鏡２３は、例えば、電流狭窄層２１上にＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率半導体膜とＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる低屈折率半導体膜とが３０～４５ペア積層されてなる。第２の多層膜反射鏡２３は、赤色の波長域（６２０ｎｍ～７５０ｎｍ）の光に対して反射性を有するように各層の層厚が設定されている。

コンタクト層２４は、第２の多層膜反射鏡２３の上面に形成された上面形状が円環状の半導体層である。言い換えれば、コンタクト層２４は、第２の多層膜反射鏡２３の上面の略中央部分を露出するように第２の多層膜反射鏡２３上に形成されている。

コンタクト層２４は、例えばｐ型の不純物がドーピングされたＧａＡｓからなる。コンタクト層２４は、第２の多層膜反射鏡２３と後述するｐ電極ＰＥとの電気的接触を取りやすくする機能を有する。

保護層２５は、コンタクト層２４によって露出されている第２の多層膜反射鏡２３の上面を覆いつつ外縁がコンタクト層２４の上面に達している上面形状が円形の層である。保護層２５は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の、赤色の光に対して透光性を有する誘電体材料からなる。

保護層２５は、コンタクト層２４から露出している第２の多層膜反射鏡２３の上面を外部からの損傷等から保護することで、面発光レーザ１００自体の耐久性を向上させる機能を有する。

ｎ電極ＮＥは、基板１１の下面に亘って形成されている電極である。ｎ電極ＮＥは、基板１１及び第１の多層膜反射鏡１２を介して半導体構造層ＥＭと電気的に接続されている。ｎ電極ＮＥは、例えば基板１１の下面にチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）がこの順で積層されてなる。

ｐ電極ＰＥは、コンタクト層２４上に形成された上面形状が円環状の電極である。ｐ電極ＰＥは、コンタクト層２４、第２の多層膜反射鏡２３及び電流狭窄層２１を介して半導体構造層ＥＭと電気的に接続されている。ｎ電極ＮＥは、例えばコンタクト層２４上にＴｉ、Ｐｔ及びＡｕがこの順で積層されてなる。

面発光レーザ１００において、第２の多層膜反射鏡２３の下面は、電流狭窄層２１及び半導体構造層ＥＭを挟んで第１の多層膜反射鏡１２の上面と対向している。これにより、第１の多層膜反射鏡１２及び第２の多層膜反射鏡２３は、第１の多層膜反射鏡１２と第２の多層膜反射鏡２３との間において半導体構造層ＥＭに垂直な方向（図３中上下方向）を共振器長方向とする共振器ＯＣを構成する。

面発光レーザ１００において、第２の多層膜反射鏡２３は、第１の多層膜反射鏡１２よりも積層ペア数が少なくなるように形成されている。従って、第２の多層膜反射鏡２３の赤色光に対する反射率は、第１の多層膜反射鏡１２の赤色光に対する反射率よりもわずかに低くなっている。

よって、発光層１５から放出され共振器ＯＣにおいて共振した赤色光は、その一部が第２の多層膜反射鏡２３の上面から保護層２５を透過して外部に取り出される。すなわち、第１の多層膜反射鏡１２と第２の多層膜反射鏡２３との間で共振した赤色光は図３中上方に向けて出射される。言い換えれば、保護層２５の上面が、面発光レーザ１００の光出射面となっている。

ここで、面発光レーザ１００の動作と光学的な特性について説明する。上述したｎ電極ＮＥ及びｐ電極ＰＥに電圧が印加されてｎ電極ＮＥとｐ電極ＰＥとの間に電流が流れると、半導体構造層ＥＭの発光層１５に電流が流れ、所定の電流値である閾値電流に達すると発光層１５から放出される赤色光の強度が急激に増加する。

閾値電流に達して発光層１５から放出された赤色光は、第１の多層膜反射鏡１２と第２の多層膜反射鏡２３との間において、すなわち共振器ＯＣ内において反射を繰り返し、共振状態に至る（すなわちレーザ発振を行う）。

面発光レーザ１００において、ｐ電極ＰＥ及びｎ電極ＮＥに電圧が印加された際には、ｐ電極ＰＥから流れる電流の大部分が低抵抗領域である中央部分２１Ａを通って半導体構造層ＥＭに供給され、ｎ電極ＮＥへと流れていく。

すなわち、面発光レーザ１００においては、中央部分２１Ａを介して発光層１５に電流が供給され、中心軸ＣＡに沿うように赤色光が放出される。従って、面発光レーザ１００においては、電流狭窄層２１の中央部分２１Ａが、電流がそれ以上広がらないよう電流の供給範囲を制限する電流狭窄部として機能する。

また、面発光レーザ１００において、ＡｌＧａＡｓからなる中央部分２１Ａの屈折率は、Ａｌ_２Ｏ_３からなる外周部分２１Ｂの屈折率よりも高くなっている。従って、中央部分２１Ａを含む円柱状の領域である共振器ＯＣにおける実効屈折率は、その周りの外周部分２１Ｂに沿った筒状の周辺領域の実効屈折率よりも大きくなっている。

すなわち、面発光レーザ１００においては、中央部分２１Ａの中心から外方に向かって実効屈折率が小さくなっていく。面発光レーザ１００がこのように構成されていることにより、共振器ＯＣ内の定在波が外周部分２１Ｂに発散（放射）することによる光損失が抑制される。すなわち、中央部分２１Ａは、発光層１５から放出された赤色光を閉じ込める光閉じ込め層としても機能する。

従って、発光層１５から放出された多くの光が共振器ＯＣの中心軸ＣＡ周辺に集中することで、高出力かつ高密度なレーザ光を生成及び出射することができる。よって、面発光レーザ１００から出射されるレーザ光の横断面における強度分布、いわゆるレーザ光の横モードを安定させることができる。

［オーバーフロー抑制層による電子のオーバーフローの抑制］
以下に、図５及び図６を用いて、面発光レーザ１００のオーバーフロー抑制層ＯＳＬによる電子のオーバーフローの抑制について説明する。図５は、オーバーフロー抑制層ＯＳＬ及びその近傍の層における伝導帯のエネルギーバンド図である。また、図６は、図５に示したオーバーフロー抑制層ＯＳＬ及びその近傍の層におけるバンドベンディングの態様を示す図である。

図５及び図６においては、図中上下方向がエネルギーの高低を示しており、図中左から右に向かって半導体の積層方向を示している。なお、図５のバンド図においては、図４に示した発光層１５及びオーバーフロー抑制層ＯＳＬにおける井戸層の層厚と図５における量子井戸の幅とが同じものであるとして説明する。

本実施例の面発光レーザ１００において、キャリアトラップ層１７の第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の各々の量子井戸の井戸幅は、ｐ型半導体層１９に近づくにつれて順に大きくなっている。すなわち、本実施例の面発光レーザ１００においては、第１の井戸層３１の井戸幅ｔ２、第２の井戸層３３の井戸幅ｔ３、第３の井戸層３５の井戸幅ｔ４の順に大きくなっている。

多重量子井戸構造において、各々の量子井戸内において電子が取り得るエネルギー準位である量子準位のうちエネルギー的に最も低い量子準位である最低量子準位は、量子井戸の井戸幅が大きくなるほど相対的に低くなっていく。

よって、本実施例の面発光レーザ１００においては、第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の各々の量子井戸の井戸幅が順に大きくなっているために、第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の各々の最低量子準位が、ｐ型半導体層１９に近づくにつれてこの順で低くなっている。

具体的には、本実施例の面発光レーザ１００においては、図５に示すように、第１の井戸層３１の最低量子準位である量子準位ＱＬ１、第２の井戸層３３の最低量子準位である量子準位ＱＬ２及び第３の井戸層３５の最低量子準位である量子準位ＱＬ３が、ｐ型半導体層１９に近づくにつれてこの順で低くなっている。すなわち、各量子井戸の最低量子準位がｐ型半導体層１９に近づくにつれて低下する傾向を有している。

本実施例の面発光レーザ１００において、オーバーフロー抑制層ＯＳＬとｐ型半導体層１９とのバンドベンディングによるバンド曲がり部分ＢＢは、例えば図６に示すように、スペーサ層１６からｐ型半導体層１９に向かって右上がりの傾斜を持つような態様を示す。

オーバーフロー抑制層ＯＳＬとｐ型半導体層１９とのバンドベンディングにおいては、キャリアトラップ層１７中の井戸層の最低量子準位が高くなるほどバンド曲がり部分ＢＢの勾配がきつくなる。

従って、本実施例の面発光レーザ１００においては、発光層１５側に形成された第１の井戸層３１の最低量子準位が他の井戸層に比べて最も高いために、バンドベンディングによるバンド曲がり部分ＢＢを発光層１５側から、すなわちバンド曲がり部分ＢＢの根本側から急勾配にすることができる。

例えば、第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の各々の構成材料と層厚が互いに同一である場合、バンド曲がり部分ＢＢは、図６中の破線にて示すようなバンドベンディング態様を示す。すなわち、第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の構成材料と層厚を全て同一とした場合のバンド曲がり部分ＢＢの勾配は、面発光レーザ１００におけるバンド曲がり部分ＢＢの勾配に比べて緩やかになる。

従って、本実施例の面発光レーザ１００によれば、例え発光層１５から電子が漏れ出ようとした場合においても、上述のようにバンド曲がり部分ＢＢの勾配がきつくなっていることにより、当該電子がｐ型半導体層１９側へと流れにくくなる。よって、本実施例の面発光レーザ１００によれば、ｐ電極ＰＥ－ｎ電極ＮＥ間に電圧が印加された際に、発光層１５からｐ型半導体層１９に電子がオーバーフローしてしまうことを抑制することができる。

また、例えば、第１の井戸層３１、第２の井戸層３３及び第３の井戸層３５の各々の構成材料と層厚が互いに同一である場合、すなわち量子井戸内の最低量子準位が互いに同一である場合、第１の井戸層３１内に存在する電子がエネルギーの減衰なしに障壁層を通り抜けて隣の第２の井戸層３３内に移動する現象、いわゆる共鳴トンネル現象が生じやすくなる。共鳴トンネル現象が生じた場合、電子はｐ型半導体層１９にオーバーフローしやすくなり得る。

これに対し、本実施例の面発光レーザ１００においては、量子井戸の井戸幅をｐ型半導体層１９に近づくにつれて大きくすることにより、共鳴トンネル現象が生じることを抑制することができる。従って、本実施例の面発光レーザ１００によれば、発光層１５からｐ型半導体層１９に電子がオーバーフローしてしまうことを抑制することができる。

量子井戸内において、電子は、量子井戸の井戸幅が大きくなるほど、すなわち最低量子準位が低くなるほどより深い位置に存在できる。そのため、量子井戸内の最低量子準位が低くなるほど電子とホールとの再結合が生じやすくなり、発光層１５以外の意図せぬ領域で光が放出される可能性が高まる。言い換えれば、量子井戸内の最低量子準位が高いほど電子とホールとの再結合は生じにくくなる。

本実施例の面発光レーザ１００においては、図６に示すエネルギーバンドに基づくと、発光層１５に近い量子井戸ほど最低量子準位が高くなっていることにより、上述したバンド曲がり部分ＢＢを越えてこようとする電子をなるべく高い量子準位にてトラップすることができる。

従って、本実施例の面発光レーザ１００においては、なるべく発光層１５に近い段階で、すなわち量子井戸内の量子準位がなるべく高い段階でバンド曲がり部分ＢＢを超えてこようとする電子をトラップすることにより、発光層１５以外の領域で電子とホールの再結合が生じてしまうことを抑制することができる。よって、本実施例の面発光レーザ１００によれば、発光層１５以外の意図せぬ領域で光が放出されることを抑制することができる。

従って、本実施例の面発光レーザ１００によれば、オーバーフロー抑制層ＯＳＬが、発光に寄与しない電子が発光層１５からｐ型半導体層１９にオーバーフローしてしまうことを抑制することができる。

本実施例の面発光レーザ１００によれば、オーバーフロー抑制層ＯＳＬが電子のオーバーフローを抑制することにより、例えば、発光層１５における発光効率を増大させたり、閾値電流を低減させることができる。また、例えば、発光層１５に注入した電流に対する面発光レーザ１００の光出力を示すスロープ効率を改善したり、面発光レーザ１００全体の温度特性を改善することができる。

なお、本実施例の面発光レーザ１００においては、上述したように、キャリアトラップ層１７の井戸層において最大の厚みを有する第３の井戸層３５の層厚ｔ４が発光層１５の井戸層１５Ｗの層厚ｔｗよりも小さく形成されている。これにより、キャリアトラップ層１７における各井戸層の最低量子準位は、発光層１５の井戸層１５Ｗの最低量子準位よりも高くなる。

従って、本実施例の面発光レーザ１００によれば、例え井戸層１５Ｗの最低量子準位を有する電子がキャリアトラップ層１７側に流れてきたとしても、キャリアトラップ層１７における各井戸層の最低量子準位の方が高いために、電子がそれ以上ｐ型半導体層１９の方に流れていくことを抑制することができる。

なお、面発光レーザ１００の製造時において、キャリアトラップ層１７は、結晶生成時点ではノンドープのままであるが、この上にｐ型不純物がドーピングされたｐ型半導体層１９を形成した場合、ｐ型半導体層１９からキャリアトラップ層１７に向かってドーピング濃度が緩やかに遷移し始める。すなわち、ｐ型半導体層１９内のドーピング濃度がｐ型半導体層１９の表層からキャリアトラップ層１７に向けて緩やかに低下していく。

図５において、低ドーピング領域としてのスライトドープ領域１９ＳＤは、例えば、ｐ型半導体層１９からキャリアトラップ層１７に向かってドーピング濃度が緩やかに遷移し始めたときの、ｐ型不純物のドーピング濃度の最大値の半分以下のドーピング濃度を有する領域である。

本実施例の面発光レーザ１００において、スペーサ層１６、キャリアトラップ層１７及び上述したスライトドープ領域１９ＳＤの全体の厚みＴｈ（図５参照）は、７０ｎｍ以下であることが好ましく、さらには５０ｎｍ以下であることが好ましい。これは、厚みＴｈが７０ｎｍより大きい場合、上述したバンド曲がり部分ＢＢの勾配が緩やかになってしまい、実効的なバリア高さが稼ぎにくくなるためである。

なお、本実施例の面発光レーザ１００においては、キャリアトラップ層１７における量子井戸の数が３つの場合である例について説明したが、上述した厚みＴｈが７０ｎｍ以下であればよく、量子井戸の数はこれに限られない。例えば、量子井戸を４つ以上形成してもよい。

また、本実施例の面発光レーザ１００においては、ｐ型半導体層１９に近づくにつれてキャリアトラップ層１７における量子井戸の井戸幅が順に大きくなる例について説明したが、必ずしも順番に大きくなっている必要はない。

例えば、キャリアトラップ層１７における量子井戸の数を５つとした場合、発光層１５から１つ目の量子井戸と２つ目の量子井戸の井戸幅を０．６ｎｍとし、３つ目の量子井戸の井戸幅を１．２ｎｍとし、４つ目の量子井戸と５つ目（最もｐ型半導体層１９側）の量子井戸の井戸幅を２．４ｎｍとしてもよい。すなわち、各量子井戸の最低量子準位がｐ型半導体層１９に近づくにつれて低下する傾向を有していればよい。

また、本実施例の面発光レーザ１００においては、ｐ型半導体層１９に近づくにつれて量子井戸の井戸幅を順に大きくするために、層厚ｔ２、層厚ｔ３及び層厚ｔ４をそれぞれ０．６ｎｍ、１．２ｎｍ及び２．４ｎｍとする例について説明したが最大厚みである層厚ｔ４が発光層１５の井戸層１５Ｗの層厚ｔｗよりも小さければよく、また順に大きくなる傾向を有していればよく、例えば２倍ずつのように規則的に変化している必要もない。

なお、本実施例の面発光レーザ１００においては、各量子井戸の中で最も低い最低量子準位を有する量子井戸がｐ型半導体層１９の最も近くに形成されていればよく、キャリアトラップ層１７において互いに隣り合う２つの量子井戸のうち発光層１５側の量子井戸の最低量子準位がｐ側半導体層側の量子井戸の最低量子準位よりも低くなっている態様としてもよい。

例えば、キャリアトラップ層１７における量子井戸の数を４つとした場合、発光層１５から１つ目の量子井戸の井戸幅を０．６ｎｍとし、２つ目の量子井戸の井戸幅を１．２ｎｍとし、３つ目の量子井戸の井戸幅を０．６ｎｍとし、４つ目（最もｐ型半導体層１９側）の量子井戸の井戸幅を１．２ｎｍとしてもよい。勿論、４つ目の量子井戸の井戸幅をさらに大きくして２．４ｎｍとしてもよい。

キャリアトラップ層１７における量子井戸がこのように形成された場合においても、キャリアのオーバーフローを抑制することができる。なお、バンドベンディングや発光層１５から離れた位置での再結合を考慮すると、各量子井戸は、最低量子準位がｐ型半導体層１９に近づくにつれて低下するように形成されることが最も好ましい。

［面発光レーザの適用例］
ここで、図７を用いて、実施例１の面発光レーザを用いた適用例について説明する。図７は、適用例としての面発光レーザ１００を組み込んだ発光装置２００の断面図である。なお、図７においては図中上下方向が発光装置２００の高さ方向である。

発光装置２００は、実施例１に係る面発光レーザ１００を実装基板４１に実装し、パッケージングしたものである。発光装置２００は、面発光レーザ１００が実装された実装基板４１と枠体５１と透光板５２とを含んで構成される。なお、面発光レーザ１００の構成については実施例１と同様である。

底部としての実装基板４１は、上面形状が矩形の板状体である。実装基板４１は、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）等のセラミック、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の絶縁性を有する材料からなる。

放熱基板４３は、上面形状が矩形を有するＡｌＮからなる板状体である。放熱基板４３は、上面が面発光レーザ１００のｎ電極ＮＥに接合されている。また、放熱基板４３は、下面が実装基板４１の上面の略中央に形成された第１の電極パッド４４に接合されている。

放熱基板４３は、例えばＡｌＮ等の熱伝導率の高い材料から構成される。発光装置２００の駆動時において面発光レーザ１００に生じた熱は、放熱基板４３を介して実装基板４１に放出される。

放熱基板４３の上面には、面発光レーザ１００のｎ電極ＮＥに電気的に接続された配線４５が形成されている。実装基板４１の上面には第１の電極パッド４４と離隔して第２のパッド電極４６及びその上に金属からなるｎ電極接続部材４７が形成されており、配線４５とｎ電極接続部材４７とがワイヤＷを介して電気的に接続されている。

また、実装基板４１の上面には第１の電極パッド４４と離隔して第３のパッド電極４８及びその上に金属からなるｐ電極接続部材４９が形成されており、面発光レーザ１００のｐ電極とｐ電極接続部材４９とがワイヤＷを介して電気的に接続されている。

なお、第２のパッド電極４６及び第３のパッド電極４８は、実装基板４１を貫通するビアを介して実装基板４１の裏面に互いに離隔して設けられた裏面電極（図示せず）の各々にそれぞれ電気的に接続されている。すなわち、面発光レーザ１００は、実装基板４１の裏面電極を介して電力供給を受け得る。

枠体５１は、面発光レーザ１００が実装されている実装基板４１の上面の領域を露出するように実装基板４１の外縁に沿って形成されている。言い換えれば、発光装置２００を上から見た平面視において、枠体５１は、実装基板４１上にて面発光レーザ１００を囲っている。枠体５１は、実装基板４１と同様に、例えばＡｌＮ等のセラミック、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ、ＳｉＣ等の絶縁性を有する材料からなる。

透光板５２は、上面形状が矩形の透明な板状体である。透光板５２は、下面が枠体５１の上面に形成された接合部材（図示せず）を介して枠体５１に接合されている。言い換えれば、透光板５２は面発光レーザ１００を覆うように枠体５１によって保持されている。透光板５２は、例えばホウ珪酸ガラス等の、面発光レーザ１００から出射された光に対して透光性を有する材料からなる。

発光装置２００において、面発光レーザ１００から出射された光は、透光板５２を通って発光装置２００の外部へと放出される。すなわち、本実施例においては、透光板５２の上面が発光装置２００の光出射面である。

本適用例における発光装置２００においても、面発光レーザ１００のオーバーフロー抑制層ＯＳＬが、発光に寄与しない電子が発光層１５からｐ型半導体層１９にオーバーフローしてしまうことを抑制することができる。従って、発光装置２００においても、発光層１５における発光効率の増大や閾値電流の低減、スロープ効率の改善、温度特性の改善等を達成することができる。

次に、図８及び図９を用いて実施例２に係る面発光レーザの構成について説明する。図８は、図４と同様の、面発光レーザのＡ部の拡大図である。図９は、オーバーフロー抑制層ＯＳＬ及びその近傍の層における伝導帯のエネルギーバンド図である。

本実施例の面発光レーザにおいては、オーバーフロー抑制層ＯＳＬにおけるキャリアトラップ層５３の構成が実施例１と異なっており、それ以外の点、例えば発光層１５やスペーサ層１６の構成等は実施例１と同様である。

本実施例の面発光レーザにおいて、第１の井戸層５４、第２の井戸層５５及び第３の井戸層５６の各々は、図８に示すように全て同じ層厚ｔ５を有している。本実施例において、第１の井戸層５４、第２の井戸層５５及び第３の井戸層５６の各々の層厚ｔ５は、発光層１５における井戸層１５Ｗの層厚ｔｗと同一である。

本実施例の面発光レーザにおいて、第１の井戸層５４、第２の井戸層５５及び第３の井戸層５６の各々は、ＡｌＧａＩｎＰからなりかつ互いにＡｌ濃度及びＧａ濃度が異なっている。具体的には、第１の井戸層５４、第２の井戸層５５及び第３の井戸層５６の各々は、Ｇａ濃度がｐ型半導体層１９に近づくほど順に大きくなっている。例えば、第１の井戸層５４は（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであり、第２の井戸層５５は（Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであり、第３の井戸層５６は（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐである。

キャリアトラップ層５３においては、図９に示すように、第１の井戸層５４、第２の井戸層５５及び第３の井戸層５６の各々のＧａ濃度が大きくなるほど量子井戸の井戸深さが深くなっている。言い換えれば、井戸層のＧａ濃度が大きくなるほどバンドギャップが小さくなっている。

このように量子井戸の井戸深さがｐ型半導体層１９に近づくほど順に大きくなる場合においても、各量子井戸の最低量子準位は、ｐ型半導体層１９に近づくほど順に低くなっていく。すなわち、図９に示すように、第１の井戸層５４の最低量子準位である量子準位ＱＬ１よりも第２の井戸層５５の最低量子準位である量子準位ＱＬ２の方が低くなり、量子準位ＱＬ２よりも第３の井戸層５６の最低量子準位である量子準位ＱＬ３の方が低くなる。

従って、本実施例の面発光レーザにおけるキャリアトラップ層５３のように量子井戸の井戸深さをｐ型半導体層１９に近づくほど順に大きくした場合においても、キャリアトラップ層５３のバンド曲がり部分ＢＢは、図６に示したものと同様のベンディング態様を示す。すなわち、スペーサ層１６からｐ型半導体層１９にかけてのバンド曲がり部分ＢＢの勾配をきつくすることができる。

よって、本実施例の面発光レーザにおいても、実施例１と同様に、オーバーフロー抑制層ＯＳＬが、発光に寄与しない電子が発光層１５からｐ型半導体層１９にオーバーフローしてしまうことを抑制することができる。

なお、本実施例の面発光レーザにおいては、ｐ型半導体層１９に近づくにつれてキャリアトラップ層５３における量子井戸の井戸深さが順に深くなる例について説明したが、必ずしも順番に深くなっている必要はない。

例えば、キャリアトラップ層５３における量子井戸の数を５つとした場合、発光層１５側の２つの量子井戸の井戸深さを同じとし、中央の量子井戸の井戸深さをこれよりも深くし、ｐ型半導体層１９側の２つの量子井戸の井戸深さをさらに深くするとしてもよい。すなわち、キャリアトラップ層５３における量子井戸の最低量子準位がｐ型半導体層１９に近づくにつれて低下する傾向を有していればよい。

１００ 面発光レーザ（垂直共振器型発光素子）
２００ 発光装置
１１ 基板
１２ 第１の多層膜反射鏡
１４ ｎ型半導体層
１５ 発光層
１６ スペーサ層
１７、５３ キャリアトラップ層
１９ ｐ型半導体層
２１ 電流狭窄層
２３ 第２の多層膜反射鏡
２４ コンタクト層
２５ 保護層
３１、５４ 第１の井戸層
３３、５５ 第２の井戸層
３５、５５ 第３の井戸層
３２、３４ 障壁層
４１ 実装基板
４３ 放熱基板
５１ 枠体
５２ 透光板
ＮＥ ｎ電極
ＰＥ ｐ電極

Claims (10)

1. 第１の導電型を有する基板と、
   前記基板上に形成された前記第１の導電型を有する第１の多層膜反射鏡と、
   前記第１の多層膜反射鏡上に形成された前記第１の導電型を有する第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成されかつ多重量子井戸構造を有する発光層、前記発光層上に形成された第２の半導体層、前記第２の半導体層上に形成され、複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造を有するキャリアトラップ層、及び前記キャリアトラップ層上に形成された前記第１の導電型と反対の第２の導電型を有する第３の半導体層を含む半導体構造層と、
   前記半導体構造層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する前記第２の導電型を有する第２の多層膜反射鏡と、を有し、
   前記複数の量子井戸の各々の量子井戸内において電子が取り得る量子準位のうちエネルギー的に最も低い量子準位である最低量子準位は、前記第３の半導体層に近い量子井戸の方が低くなる傾向を有することを特徴とする垂直共振器型発光素子。
2. 前記複数の量子井戸の各々の最低量子準位は、前記第３の半導体層に近くなるほど順に低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
3. 前記複数の量子井戸の各々の井戸幅は、前記第３の半導体層に近くなるほど順に大きくなっていることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型発光素子。
4. 前記複数の量子井戸の各々の井戸深さは、前記第３の半導体層に近くなるほど順に深くなっていることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型発光素子。
5. 前記第２の半導体層、前記キャリアトラップ層、及び前記第３の半導体層の厚さ方向における所定以下のドーピング濃度を有する領域である低ドーピング領域の合計の厚みは、７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
6. 前記第２の半導体層の層厚は、１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の垂直共振器型発光素子。
7. 前記複数の量子井戸の各々の井戸幅のうち最も大きい井戸幅は、前記発光層における多重量子井戸構造の量子井戸の井戸幅よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の垂直共振器型発光素子。
8. 前記複数の量子井戸の各々の井戸幅は、前記発光層における多重量子井戸構造の量子井戸の井戸幅と同じであることを特徴とする請求項４に記載の垂直共振器型発光素子。
9. 前記第２の半導体層は、ノンドープのＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
10. 請求項１に記載の垂直共振器型発光素子を含む発光装置であって、
    １の主面の１の領域に前記垂直共振器型発光素子が設けられた平板状の底部と、
    前記底部の前記１の主面に形成され、前記１の領域を露出するように前記垂直共振器型発光素子を囲う枠体と、
    前記１の領域を覆うように前記枠体によって保持された透光性を有する透光板と、
    を有することを特徴とする発光装置。

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