JP6688109B2 - 面発光素子、外部共振器型垂直面発光レーザー、および面発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、面発光素子に関し、特に、外部共振器型垂直面発光レーザーに適した面発光素子に関する。

半導体レーザーの一種として、外部共振器型垂直面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ：Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser）がすでに公知である（例えば、特許文献１ないし特許文献４、および、非特許文献１参照）。外部共振器型垂直面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ）とは、概略、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する活性層と分布ブラッグミラー（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）構造とを積層した面発光素子と、共振ミラーとによって構成した光共振器の面発光素子に対し、励起レーザー光源から励起レーザー光を照射することで面発光素子から光を放出させ、さらには面発光素子と共振ミラーとの間で光学的な共振を生じさせることによって、レーザー光を生成する装置である。

特許文献２および非特許文献１には、励起レーザー光としてＩｎＧａＡｓ系半導体レーザーを用いるとともに面発光素子としてＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用い、放出される赤外レーザー光をＳＨＧ（Second Harmonic Generation：２次高調波発生）素子で波長変換することで可視光域のレーザー光を出力するVECSELが開示されている。

また、特許文献３には、面発光素子と光共振器の設計に応じて様々な波長のレーザー光を発生させることが可能であることが開示されている。

また、特許文献４には、ＧａＮ系半導体を使用したＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ構造を持つＶＥＣＳＥＬ用の面発光素子が開示されている。

一方、ｃ軸方向に配向させた多結晶アルミナを基板形状にした配向アルミナ基板およびその基板上に窒化ガリウムを積層させｃ軸方向に配向させることでＧａＮ多結晶基板(配向ＧａＮ基板)を作成する方法もすでに公知である（例えば、特許文献５参照）。

また、基板の主表面をｃ面以外の半極性面や非極性面とした発光素子もすでに公知である（例えば、特許文献６参照）。

特開２００８−２９４４６７号公報 米国特許第６０９７７４２号明細書 特開２００６−１１３５９１号公報 特開２０１３−２２９５８０号公報 国際公開第２０１４／１９２９１１号 特許第４８９１４６２号公報

Sapphire Advantage: Low-Noise [online] コヒレント・ジャパン株式会社［２０１６年２月１０日検索］、インターネット <ＵＲＬ：http://www.coherent.co.jp/document/whitepaper/asscw/20110214_Sapphire_Advantage_Low_Noise.pdf>.

ＶＥＣＳＥＬは、装置内に光共振器およびＳＨＧ素子やＴＨＧ（Third Harmonic Generation：３次高調波発生）素子を精密に配置して構成される。また、レーザー発振を安定化するためには、ヒートシンクなどによる放熱が必須である。なお、ＶＥＣＳＥＬからのレーザーの出力を高めるには励起レーザー光の強度を高めることが考えられるが、励起レーザー光の強度を高めた場合、面発光素子での発熱が増大し、光学素子の位置や光軸に誤差が生じやすくなる。そのような誤差が生じると、光共振器から放出されるレーザー光の強度が減衰する。

面発光素子にＩｎＧａＮ／ＧａＮを用いたＭＱＷ構造を適用した場合、ＳＨＧ素子を用いることなく青色〜緑色レーザー光を得ることが可能となるため、ＶＥＣＳＥＬの低コスト化、長寿命化に有効である。しかしながら、係るＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造を有するＶＥＣＳＥＬにて励起レーザー光の強度を高めた場合、励起されるキャリアが増大することで、活性層内部のピエゾ電界の遮蔽効果によるブルーシフト（発光波長の短波長側へのシフト）が発生し、放出光の波長が共振器設計波長からずれて放出レーザー光の強度が急激に減衰する、という問題がある。

ブルーシフト低減のため、例えば特許文献６に開示されている技術を適用して、基板の主表面の極性を低減すること、すなわち、基板の主表面をｃ面以外の半極性面や非極性面を用いることが考えられるが、結晶中に酸素不純物が取り込まれやすいため、発光強度を高めることは容易ではない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ブルーシフトが抑制されることで、放出レーザー光の強度が大きい範囲においても放出レーザー光の強度の大きな外部共振器型垂直面発光レーザーを実現可能な面発光素子、および当該面発光素子を用いた外部共振器型垂直面発光レーザーを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した配向多結晶基板と、１３族窒化物半導体からなり、前記配向多結晶基板の上に設けられた発光体構造と、を備え、前記発光体構造が、それぞれが前記配向多結晶基板上に備わり、かつ、分布ブラッグ反射構造を有するＤＢＲ層と多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層とを有する複数の単位積層部分によって構成されており、前記複数の単位積層部分のそれぞれが、前記配向多結晶基板の個々の結晶上に設けられており、前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記配向多結晶基板の個々の結晶のｃ軸方位に倣っており、前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に、前記配向多結晶基板の主面上における結晶粒界に沿って存在する溝部が備わる、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係る面発光素子であって、前記配向多結晶基板を構成する個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径は５μｍ〜３０μｍである、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係る面発光素子であって、前記配向多結晶基板におけるＧａＮ（００２）面についてのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が０．２度〜１．０度である、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係る面発光素子であって、前記単位積層部分のそれぞれが、前記配向多結晶基板の上に設けられた第１のＧａＮ層と、前記第１のＧａＮ層の上に設けられた前記ＤＢＲ層と、前記ＤＢＲ層の上に設けられたｎ型の前記活性層と、前記活性層の上に設けられた第２のＧａＮ層と、を備え、前記ＤＢＲ層が、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位反射層と、ＧａＮからなる第２単位反射層と、が繰り返し交互に積層されることによって前記分布ブラッグ反射構造を有しており、前記活性層が、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）という組成を有するｎ型の第１単位活性層と、ＧａＮからなるｎ型の第２単位活性層と、が繰り返し交互に積層されることで前記多重量子井戸構造を有している、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、外部共振器型垂直面発光レーザーであって、第１ないし第４の態様のいずれかに係る面発光素子と、前記面発光素子の前記ＤＢＲ層との間で前記活性層において生じた励起発光を共振させる共振ミラーと、を備える光共振器と、前記面発光素子の前記活性層に対し励起レーザー光を照射する励起光源と、を備えることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、外部共振器型垂直面発光レーザーの励起媒体用の面発光素子を製造する方法であって、ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した配向多結晶基板を用意する工程と、前記配向多結晶基板の上に、１３族窒化物半導体からなる発光体構造を形成する発光体構造形成工程と、を備え、前記発光体構造形成工程においては、前記発光体構造を、それぞれが前記配向多結晶基板の個々の結晶上に備わり、かつ、分布ブラッグ反射構造を有するＤＢＲ層と多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層とを有する複数の単位積層部分と、前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に備わる、前記配向多結晶基板の主面上における結晶粒界に沿った溝部と、を有するように、かつ、前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記配向多結晶基板の個々の結晶のｃ軸方位に倣うように、形成する、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第６の態様に係る面発光素子の製造方法であって、前記配向多結晶基板を構成する個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径は５μｍ〜３０μｍである、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第６または第７の態様に係る面発光素子の製造方法であって、前記配向多結晶基板におけるＧａＮ（００２）面についてのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が０．２度〜１．０度である、ことを特徴とする。
本発明の第９の態様は、第６ないし第８の態様に係る面発光素子の製造方法であって、前記発光体構造形成工程が、前記配向多結晶基板の上に第１のＧａＮ層を形成する第１ＧａＮ層形成工程と、前記第１のＧａＮ層の上に前記ＤＢＲ層を形成するＤＢＲ層形成工程と、前記ＤＢＲ層の上に前記活性層を形成する活性層形成工程と、前記活性層の上に第２のＧａＮ層を形成する第２ＧａＮ層形成工程と、を備え、前記ＤＢＲ層形成工程においては、Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１−ｘ Ｎ（０≦ｘ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位反射層と、ＧａＮからなる第２単位反射層と、を繰り返し交互に積層することによって前記ＤＢＲ層を形成し、前記活性層形成工程においては、Ｉｎ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ（０＜ｙ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位活性層と、ＧａＮからなる第２単位活性層と、を繰り返し交互にかつｎ型のドーパントをドープさせつつ積層することによってｎ型の前記活性層を形成する、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、外部共振器型垂直面発光レーザーの励起媒体用の面発光素子を製造する方法であって、ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した単結晶基板を用意する工程と、前記単結晶基板の上に、１３族窒化物半導体からなる発光体構造を形成する発光体構造形成工程と、を備え、前記発光体構造形成工程が、それぞれが前記単結晶基板上に備わり、かつ、分布ブラッグ反射構造を有するＤＢＲ層と多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層とを有する複数の単位積層部分と、前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に備わる溝部と、を有するように、かつ、前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記単結晶基板のｃ軸方位に倣うように、前記発光体構造を形成する工程であって、前記溝部の形成予定位置も含めた前記単結晶基板の上に、前記発光体構造を構成する各層を順次に一様にエピタキシャル成長させて積層体を得る積層工程と、前記積層体の前記形成予定位置において前記溝部を形成する溝部形成工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の第１１の態様は、第１０の態様に係る面発光素子の製造方法であって、前記溝部形成工程においては、前記溝部を、前記単結晶基板上に規則的に設ける、ことを特徴とする。

本発明の第１２の態様は、第１０または第１１の態様に係る面発光素子の製造方法であって、前記発光体構造形成工程が、前記単結晶基板の上に第１のＧａＮ層を形成する第１ＧａＮ層形成工程と、前記第１のＧａＮ層の上に前記ＤＢＲ層を形成するＤＢＲ層形成工程と、前記ＤＢＲ層の上に前記活性層を形成する活性層形成工程と、前記活性層の上に第２のＧａＮ層を形成する第２ＧａＮ層形成工程と、を備え、前記ＤＢＲ層形成工程においては、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位反射層と、ＧａＮからなる第２単位反射層と、を繰り返し交互に積層することによって前記ＤＢＲ層を形成し、前記活性層形成工程においては、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位活性層と、ＧａＮからなる第２単位活性層と、を繰り返し交互にかつｎ型のドーパントをドープさせつつ積層することによってｎ型の前記活性層を形成する、ことを特徴とする。

本発明の第１３の態様は、面発光素子であって、ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した配向多結晶基板と、１３族窒化物半導体からなり、前記配向多結晶基板の上に設けられた発光体構造と、を備え、前記発光体構造が、それぞれが前記配向多結晶基板上に備わり、かつ、多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層を有する複数の単位積層部分によって構成されており、前記複数の単位積層部分のそれぞれが、前記配向多結晶基板の個々の結晶上に設けられており、前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記配向多結晶基板の個々の結晶のｃ軸方位に倣っており、前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に、前記配向多結晶基板の主面上における結晶粒界に沿って存在する溝部が備わる、ことを特徴とする。

本発明の第１４の態様は、第１３の態様に係る面発光素子であって、前記配向多結晶基板を構成する個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径は５μｍ〜３０μｍである、ことを特徴とする。

本発明の第１５の態様は、第１３または第１４の態様に係る面発光素子であって、前記配向多結晶基板におけるＧａＮ（００２）面についてのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が０．２度〜１．０度である、ことを特徴とする。

本発明の第１６の態様は、第１３ないし第１５の態様のいずれかに係る面発光素子であって、前記単位積層部分のそれぞれが、前記配向多結晶基板の上に設けられた第１のＧａＮ層と、前記第１のＧａＮ層の上に設けられたｎ型の前記活性層と、前記活性層の上に設けられた第２のＧａＮ層と、を備え、前記活性層が、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）という組成を有するｎ型の第１単位活性層と、ＧａＮからなるｎ型の第２単位活性層と、が繰り返し交互に積層されることで前記多重量子井戸構造を有している、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし第１２の態様によれば、外部共振器型垂直面発光レーザーにおいて励起媒体として用いる面発光素子の内部における歪みが緩和され、係る緩和の結果として面発光素子におけるブルーシフトが抑制されるので、放出レーザー光の強度が大きい範囲においても放出レーザー光の強度の大きな外部共振器型垂直面発光レーザーが実現される。

特に、第１ないし第９の態様によれば、下地基板に単結晶基板を用いる場合に比して安価にかつ優れた生産性にて、面発光素子を実現することができる。

特に、第１０ないし第１２の態様によれば、溝部Ｇ２の形成条件を好適に調整することで、放出レーザー光ＬＢの強度を最適化することができる。

特に、第４、第９、および第１２の態様によれば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有しつつブルーシフトが抑制された面発光素子が実現される。

また、本発明の第１３ないし第１６の態様によれば、内部における歪みが緩和されることでブルーシフトが抑制された面発光素子が実現される。

特に、第１３ないし第１６の態様によれば、下地基板に単結晶基板を用いる場合に比して安価にかつ優れた生産性にて、面発光素子を実現することができる。

第１の実施の形態に係る面発光素子１０を備える光共振器１０１を有して構成される、外部共振器型垂直面発光レーザー１００を、模式的に示す図である。 面発光素子１０のより詳細な構成を模式的に示す断面図である。 面発光素子１０の上面のレーザー顕微鏡像である。 面発光素子１０において下地基板として用いられる配向ＧａＮ基板１の詳細について説明するための図である。 面発光素子２０の構成を模式的に示す図である。 実施例１、実施例２、および比較例１についての、励起レーザー光ＬＢ０の強度と放出レーザー光ＬＢの強度の関係を示すグラフである。 実施例３についての、配向ＧａＮ基板１の平均粒径と放出レーザー光ＬＢの強度の関係を示すグラフである。 実施例４についての、配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅の値と放出レーザー光ＬＢの強度の関係を示すグラフである。

本明細書中に示す周期表の族番号は、１９８９年国際純正応用化学連合会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ：ＩＵＰＡＣ）による無機化学命名法改訂版による１〜１８の族番号表示によるものであり、１３族とはアルミニウム（Ａｌ）・ガリウム（Ｇａ）・インジウム（Ｉｎ）等を指し、１４族とは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等を指し、１５族とは窒素（Ｎ）・リン（Ｐ）・ヒ素（Ａｓ）・アンチモン（Ｓｂ）等を指す。

＜第１の実施の形態＞
＜面発光素子の構成＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光素子１０を備える光共振器１０１を有して構成される、外部共振器型垂直面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ：Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser）１００を、模式的に示す図である。

本実施の形態に係る外部共振器型垂直面発光レーザー１００は、光共振器１０１と励起レーザー光源１０２とを有する。光共振器１０１は、面発光素子１０と、ヒートシンク１１と、反射防止膜１２と、共振ミラー１３とを備える。

面発光素子１０は、概略、ともに１３族窒化物半導体からなる発光体構造とＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射）構造を備える素子である。外部共振器型垂直面発光レーザー１００においては、概略、励起レーザー光源１０２から面発光素子１０に向けて励起レーザー光ＬＢ０が出射されると、面発光素子１０内において励起発光が生じるとともに、係る励起発光によって生じた光が面発光素子１０の内部に備わるＤＢＲ構造（ＤＢＲ層３、図２参照）と共振ミラー１３との間において共振する。そして、係る共振によって増幅された位相の揃った光が、放出レーザー光ＬＢとして共振ミラー１３から放出されるようになっている。

ヒートシンク１１は、その上に載置された面発光素子１０が外部共振器型垂直面発光レーザー１００の動作の際に発する熱を吸収してこれを外部へと放出するために設けられる。

反射防止膜１２は、面発光素子１０の上面に形成されてなり、面発光素子１０において発生した後、共振ミラー１３において反射された光が、面発光素子１０の上面にて反射されることを抑制する。反射防止膜１２が設けられることで、共振ミラー１３において反射された光は高い透過率にて面発光素子１０内に入射して面発光素子１０内のＤＢＲ層３に到達するようになっている。

反射防止膜１２は、例えばＳｉＯ_２にて０．０２μｍ〜０．２μｍ程度の厚みに形成されればよい。反射防止膜１２は、公知のスパッタ法により好適に形成可能である。

共振ミラー１３は、面発光素子１０内において生じた光をＤＢＲ層３との間で共振させるとともに、係る共振の結果として得られる位相の揃った光を放出レーザー光ＬＢとして外部へ透過させるハーフミラーである。共振ミラー１３は、面発光素子１０において生じた設計出力波長の光の共振が好適に実現される位置に、配置される。

励起レーザー光源１０２は、面発光素子１０内において励起発光を生じさせるための励起レーザー光ＬＢ０の発生を担う。励起レーザー光源１０２としては、市販の光源を、外部共振器型垂直面発光レーザー１００における設計出力波長（面発光素子１０における狙いの発光波長）に応じて適宜に利用することができる。設計出力波長を可視光に設定する場合であれば、紫外領域の波長で活性層４を励起できるＧａＮ系半導体レーザーや、Ti:sapphireレーザー光もしくはNd:YAGレーザー光の第二次高調波、第三次高調波などを用いるのが好ましい。

図２は、面発光素子１０のより詳細な構成を模式的に示す断面図である。なお、図２においては、面発光素子１０の上面（より具体的には第２のＧａＮ層５の上面）に反射防止膜１２が形成された状態を示している。図３は、面発光素子１０の上面のレーザー顕微鏡像である。図４は、面発光素子１０において下地基板として用いられる配向ＧａＮ基板１の詳細について説明するための図である。

面発光素子１０は、下地基板である配向ＧａＮ基板１の上に、第１のＧａＮ層２と、ＤＢＲ層３と、活性層４と、キャップ層としての第２のＧａＮ層５とを、この順に積層したものである。これらの第１のＧａＮ層２、ＤＢＲ層３、活性層４、および第２のＧａＮ層５の積層構造を、発光体構造とも称する。第１のＧａＮ層２から第２のＧａＮ層５までの積層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法によって行うのが好適であるが、他の成長手法が採用されてもよい。

配向ＧａＮ基板１は、１３族窒化物の自立基板の一種であり、ｃ面方位の（ｃ軸配向した）多結晶のＧａＮ自立基板である。係る配向ＧａＮ基板１は、例えば、特許文献５に開示されているようなフラックス（Ｆｌｕｘ）法によって作製することができる。

より詳細には、配向ＧａＮ基板１は、結晶粒界１ｇで区画される個々のＧａＮ結晶のｃ軸方向については当該配向ＧａＮ基板１の主面の法線方向（以下、単に法線方向とも称する）から多少のずれを有している場合がある（適度にばらついている）ものの、基板全体としてみれば法線方向がＧａＮのｃ軸方向に略一致しているとみなすことができる多結晶ＧａＮ基板である。個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径は５μｍ〜３０μｍ程度である。なお、本発明においては、ＧａＮ結晶の平均粒径の算出に、特許文献５に記載された、配向多結晶焼結体の平均粒径の算出方法と同様の手法を用いる事とする。

例えば図４に示す配向ＧａＮ基板１の場合であれば、図面視左右方向において４つのＧａＮ結晶１ａ、１ｂ、１ｃ、および１ｄが連結されたところ、ＧａＮ結晶１ａ、１ｂ、１ｃ、および１ｄにおけるｃ軸方向（矢印ｃにて示す）はそれぞれ、配向ＧａＮ基板１の主面Ｓの法線方向（矢印ｎにて示す、図４の図面視上下方向に一致している）に対して、角度α１、α２、α３、α４だけ傾斜している。

配向ＧａＮ基板１における個々のＧａＮ結晶のｃ軸のばらつきの程度（以下、ｃ軸配向度）は、主面Ｓに対しＧａＮの（００２）面についてのＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定（ωスキャン）を行った場合に得られる（００２）面のピークの半値幅（以下、ＲＣ半値幅）の多少によって評価が可能である。ＲＣ半値幅の値が小さいほど、ｃ軸方位が法線方向に揃っている（配向度が高い）ということになる。本実施の形態においては、係るＲＣ半値幅の値が０．２度以上１．０度以下である配向ＧａＮ基板１を用いて面発光素子１０を構成する。

なお、配向ＧａＮ基板１の平面サイズ（直径）および厚みには、面発光素子１０を形成するための処理および面発光素子１０の使用に際して問題とならない限りにおいて特段の制限はないが、例えば直径２インチ〜６インチで、厚みが４００μｍ〜１０００μｍ程度のものが例示される。

第１のＧａＮ層２は、０．０２μｍ〜３μｍ程度の厚みを有するのが好適である。

ＤＢＲ層３は、ＤＢＲ構造を有してなり、共振ミラー１３との間でのレーザー光の共振を担う部位である。ＤＢＲ層３は、第１単位反射層３ａと第２単位反射層３ｂとを繰り返し交互に積層することにより構成される。第１単位反射層３ａは、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）という組成の１３族窒化物からなるとともに、３５ｎｍ〜６５ｎｍ程度の厚みを有するように形成するのが好適である。第２単位反射層３ａは、ＧａＮからなるとともに、３０ｎｍ〜６０ｎｍ程度の厚みを有するように形成するのが好適である。

また、ＤＢＲ層３は、第１単位反射層３ａと第２単位反射層３ｂとをそれぞれ１０層〜５０層ずつ積層することによって構成されるのが好適である。実際の膜厚は、面発光素子１０における設計出力波長に応じて、適宜に定められればよい。

活性層４は、面発光素子１０において主に発光を担う部位である。本実施の形態に係る面発光素子１０は、係る活性層４を、第１単位活性層４ａと第２単位活性層４ｂとを繰り返し交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造にて備える。第１単位活性層４ａは、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）という組成を有するとともにｎ型ドーパント（例えばＳｉ）が１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^１９／ｃｍ^３程度の原子濃度でドープされることによりｎ型を呈する。第２単位活性層４ｂは、ＧａＮからなるとともに、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）が５×１０^１７／ｃｍ^３〜５×１０^１８／ｃｍ^３程度の原子濃度でドープされることによりｎ型を呈する。すなわち、本実施の形態に係る面発光素子１０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層４を備える。

係る場合において、活性層４は、所望する波長の光を発するように、第１単位活性層４ａにおけるＩｎ組成比ｙの値が選択されて構成される。すなわち、面発光素子１０は、第１単位活性層４ａのＩｎ組成比ｙに応じた波長の光を発する。これは、面発光素子１０の作製に際して、第１単位活性層４ａにおけるＩｎ組成比ｙを違えることで、面発光素子１０に放出させたい光の波長（設計出力波長）を種々に違えることができるということを意味する。例えば、ｙ＝０．２５とした場合には、発光波長が５３０ｎｍ程度の光を得ることができる。

活性層４は、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みを有する第１単位活性層４ａと５ｎｍ〜１５ｎｍ程度の厚みを有する第２単位活性層４ｂとをそれぞれ８層〜２０層ずつ積層することによって構成されるのが好適である。

また、第２のＧａＮ層５は、キャップ層として設けられる。第２のＧａＮ層５は、０．０２μｍ〜０．２μｍ程度の厚みを有するのが好適である。

本実施の形態においては、上述したように、発光体構造を構成する、第１のＧａＮ層２と、ＤＢＲ層３と、活性層４と、第２のＧａＮ層５とを、配向ＧａＮ基板１の上に形成している。ただし、図１においては図示を省略しているが、これらの各層は、配向ＧａＮ基板１の上に一様な結晶方位にて形成されるのではなく、図２に示すように配向ＧａＮ基板１を構成する個々のＧａＮ結晶（図４に例示する場合であれば、ＧａＮ結晶１ａ、１ｂ、１ｃ、および１ｄ）の上において、しかも、それぞれのＧａＮ結晶の結晶方位に倣う態様にて成長する。個々のＧａＮ結晶上に形成される第１のＧａＮ層２と、ＤＢＲ層３と、活性層４と、第２のＧａＮ層５とからなる積層構造（発光体構造の各ＧａＮ結晶上の部分）を単位積層部分１０Ａと称することとすると、単位積層部分１０Ａの面内方向における平均粒径は、配向ＧａＮ基板１を構成する個々のＧａＮ結晶の平均粒径と同程度の５μｍ〜３０μｍ程度である。

単位積層部分１０Ａは、その下地となったＧａＮ結晶の結晶方位であるｃ軸に倣ってエピタキシャル成長することから、優れた結晶品質を有するものとなっている。このことは、それぞれの単位積層部分１０Ａにおける組成ばらつきが小さいこと、ひいては、それぞれの単位積層部分１０Ａから生じる発光の波長および当該発光についての波長プロファイルにおける半値幅のばらつきが小さいということを意味している。面発光素子１０からの発光は、個々の単位積層部分１０Ａからの発光の重ね合わせであることから、面発光素子１０からの発光は、所望の発光波長を有し、輝度が大きく、かつ波長プロファイルにおける波長半値幅の小さいものとなっている。例えば、０．２ｎｍ以下という波長半値幅が実現可能である。

また、本実施の形態においては、面発光素子１０を構成する各層の成長条件を適宜に調整することによって、図２に示すように、配向ＧａＮ基板１の結晶粒界１ｇに沿った溝部Ｇ１が面発光素子１０に形成されるようにする。なお、図２においては理解の容易のため溝部Ｇ１を誇張している。実際の溝部Ｇ１は、例えば図３に示すように観察され、その幅はおおよそ１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。配向ＧａＮ基板１における結晶粒界１ｇの形成位置がランダムである（不規則である）ことから、溝部Ｇ１の形成位置もランダムである。また、図２においては溝部Ｇ１が第１のＧａＮ層２にまで到達しているが、必ずしも全ての溝部Ｇ１が第１のＧａＮ層２にまで到達するとは限らない。

係る態様にて溝部Ｇ１を有していることから、本実施の形態に係る面発光素子１０は、それぞれが配向ＧａＮ基板１を構成する下地のＧａＮ結晶と略同一あるいはわずかに小さい平面サイズを有し、かつ、下地のＧａＮ結晶の結晶方位に倣って成長する単位積層部分１０Ａの集合体である、ということができる。あるいは、面発光素子１０は、個々の単位積層部分１０Ａのｃ軸方向については法線方向から多少のずれを有している場合がある（適度にばらついている）ものの、面発光素子１０全体としてみれば法線方向がｃ軸方向に略一致しているとみなすことができる態様にて、共通の下地基板である配向ＧａＮ基板１上に多数の単位積層部分１０Ａを備えるものである、ということもできる。

なお、図１においては、反射防止膜１２が、配向ＧａＮ基板１の上面に一様に形成されるように示されているが、実際には、図２に示すように、反射防止膜１２は個々の単位積層部分１０Ａに形成され、溝部Ｇ１を塞ぐようには形成されない。また、以降の説明においては、個々の単位積層部分１０Ａに対し係る態様にて形成される反射防止膜１２も含め、単位積層部分１０Ａと称することがある。

個々の単位積層部分１０Ａの間に溝部Ｇ１が備わる態様にて形成された面発光素子１０においては、活性層４を含む発光体構造内部に歪みが蓄積されていない。すなわち、面発光素子１０においては、発光体構造における（とりわけ、活性層４における）歪みが緩和された面発光素子構造が実現される。係る歪みの緩和が実現されることで、本実施の形態に係る面発光素子１０においては、例えば基板上に一様に（溝部を設けること無しに）各層を形成された面発光素子に比して、ピエゾ分極効果が低減される。それゆえ、面発光素子１０においては、励起レーザー光の強度を高めたときに活性層４内部のピエゾ電界の遮蔽効果によって発生するブルーシフトが、好適に抑制される。これは、面発光素子１０が設計出力波長の光を高効率に放出できることを意味する。

すなわち、本実施の形態に係る面発光素子１０は、活性層４の組成に応じた波長の光を放出可能であり、かつ、励起レーザー光の強度が大きい場合でも高い発光効率を有する光励起半導体レーザー用励起媒体であるといえる。

そして、係る面発光素子１０を備えることで、外部共振器型垂直面発光レーザー１００においては、励起レーザー光の強度が大きい場合でも設計出力波長の光を効率よく放出することができる。

＜面発光素子の製法＞
次に、面発光素子１０の製造方法について説明する。以降の説明においては、母基板（ウェハ）の状態にある配向ＧａＮ基板１を用意し、多数の面発光素子１０を同時に作製する、いわゆる多数個取りの手法によって面発光素子１０を作製する場合を対象とする。

配向ＧａＮ基板１の作製方法としては、上述のように、フラックス法（Ｎａフラックス法）によるものが例示される。

フラックス法による場合、まず、配向多結晶基板である配向アルミナ基板を用意する。

配向アルミナ基板は、一方主面における平均粒径５μｍ〜３０μｍ程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子のｃ軸が概ね基板法線方向に配向した多結晶アルミナ焼結体からなる。アルミナ基板のサイズには、後段の処理に際して取り扱い可能な限りにおいて特段の制限はないが、例えば直径２インチ〜８インチで、厚みが２００μｍ〜２０００μｍ程度のものを用いるのが好適である。

そして、この配向アルミナ基板の一方主面上に、水素をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを原料ガスとして、ＭＯＣＶＤ法によって２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の厚みのＧａＮ低温バッファ層および１μｍ〜５μｍ程度の厚みのＧａＮ層を順次に形成することにより、種基板を得る。ＧａＮ低温バッファ層の形成温度は５１０℃〜５３０℃程度であればよく、続くＧａＮ層の形成温度は１０５０℃〜１１５０℃程度であればよい。

係る種基板を、アルミナ基板のサイズに応じた重量の金属Ｇａおよび金属Ｎａとともにアルミナ坩堝に充填し、さらに、該アルミナ坩堝を耐熱金属製の育成容器に入れて密閉する。係る育成容器を耐熱・耐圧の結晶育成炉内に載置する。炉内温度を７５０℃〜９００℃とし、窒素ガスを導入して炉内圧力を３ＭＰａ〜５ＭＰａとした後、該育成容器を水平回転させながら５０時間〜１００時間保持することによって、２５０μｍ〜５００μｍ程度の厚みを有するＧａＮ厚膜層を成長させる。係る場合において、ＧａＮ厚膜層は、下地となっているアルミナ基板をなす個々の結晶粒の結晶方位に倣って結晶粒がｃ軸配向した配向多結晶層として得られる。

そして、配向アルミナ基板側をグラインダーによる研削などにより除去した後、ＧａＮ厚膜層をダイヤモンド砥粒による表面研磨（ラップ(lap)研磨）などの公知の手法を用いて所望の厚みに研磨することによって、配向ＧａＮ基板１が得られる。

配向アルミナ基板上に形成されたＧａＮ厚膜層も多結晶層となっており、かつ、配向アルミナ基板に倣って、各結晶粒のｃ軸が概ね基板法線方向に配向しているものの、結晶粒界１ｇを内包している。従って、最終的に得られる配向ＧａＮ基板１も、この特徴を有するものとなっている。

なお、本実施の形態においては、上述のように、ＸＲＣ測定（ωスキャン）におけるＧａＮのＲＣ半値幅が０．２〜１．０度である配向ＧａＮ基板１を用いて面発光素子１０を構成する。係る配向ＧａＮ基板１を好適に（高い歩留まりで）得るには、上述したアルミナ焼結体の作製条件についても、適宜に制御することが好ましい。具体的には、商業的に入手可能な板状アルミナ粉末を、テープ成形、押出し成形、ドクターブレード法、といったせん断力を用いた手法によりシート状に成形した配向成形体とし、これを多数枚積み重ねて所望の厚さとした後、プレス成形を施したシート状の成形体を用意したうえで、ホットプレス法などの加圧焼結法にて焼成温度１５００〜１８００℃、焼成時間３０分間〜５時間、面圧１００〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で焼成する第一の焼成工程と、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）にて焼成温度１５００〜１８００℃、焼成時間２〜５時間、ガス圧１０００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で再度焼成する第二の焼成工程と、行うことによって、アルミナ焼結体を得るのが好ましい。ただし、歩留まりを考慮しないのであれば、適宜の条件にて作製したアルミナ焼結体から、上述の半値幅の要件をみたすものを選択するようにしてもよい。

用意した配向ＧａＮ基板１を、所定のＭＯＣＶＤ炉内のサセプタ上に載置し、水素雰囲気中で基板温度をいったん１１５０℃〜１２５０℃の範囲にまで上昇させてクリーニング処理を行う。

続いて、ＭＯＣＶＤ法によって、配向ＧａＮ基板１上に、第１のＧａＮ層２、ＤＢＲ層３、活性層４、および、第２のＧａＮ層５をこの順に積層する。いずれの層の形成に際しても、Ｓｉをドープする。なお、ＤＢＲ層３は、第１単位反射層３ａとしてのＩｎＡｌＮ層もしくはＡｌＮ層と第２単位反射層３ｂとしてのＧａＮ層とからなる多層膜として形成する。活性層４は、第１単位活性層４ａとしてのＩｎＧａＮ層と第２単位活性層４ｂとしてのＳｉドープＧａＮ層とからなるＭＱＷ構造を有するように形成する。

各層の形成は、以下の条件をみたして行うようにすればよい。なお、１５族／１３族ガス比とは、モル比で表した、１３族原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ）の全供給量に対する１５族原料であるアンモニアガスの供給量の比である。また、本実施の形態において形成温度とはサセプタ加熱温度を意味する。

第１のＧａＮ層２：
形成温度：１０３０℃〜１１３０℃；
形成圧力：３０ｋＰａ〜１００ｋＰａ；
キャリアガス：窒素および水素；
原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびアンモニアガス；
１５族／１３族ガス比：５０００〜１００００。

ＤＢＲ層３：
形成温度：７００℃〜８００℃；
形成圧力：１０ｋＰａ〜３０ｋＰａ；
キャリアガス：窒素；
第１単位反射層３ａの原料ガス：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム：ＩｎＡｌＮ層を形成する場合のみ）、およびアンモニアガス；
１５族／１３族ガス比：２０００〜６０００；
第２単位反射層３ｂの原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびアンモニアガス；
１５族／１３族ガス比：４０００〜１００００；
第１単位反射層３ａと第２単位反射層３ｂのペアの繰り返し数：１０〜５０。

活性層４：
形成温度：７５０℃〜９００℃；
形成圧力：２０ｋＰａ〜１００ｋＰａ；
キャリアガス：窒素；
第１単位活性層４ａの原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、およびアンモニアガス；
ドーパント源：シランガス；
１５族／１３族ガス比：５０００〜１５０００；
第２単位活性層４ｂの原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびアンモニアガス；
ドーパント源：シランガス；
１５族／１３族ガス比：４０００〜１００００；
第１単位活性層４ａと第２単位活性層４ｂのペアの繰り返し数：８〜２０。

第２のＧａＮ層５：
形成温度：９５０℃〜１０５０℃；
形成圧力：１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ；
キャリアガス：窒素および水素；
原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびアンモニアガス；
１５族／１３族ガス比：５０００〜１００００。

これらの条件をみたすことで、配向ＧａＮ基板１上に、個々の単位積層部分１０Ａの間に溝部Ｇ１を備える面発光素子１０を好適に形成することができる。より具体的には、上述の層形成によって得られた積層体を所定のサイズに適宜にカットすればよい。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、外部共振器型垂直面発光レーザーを構成する面発光素子が、活性層としてＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有するとともに、配向多結晶基板である配向ＧａＮ基板と、該配向ＧａＮ基板の結晶粒界に沿った溝部を有する発光体構造とを備えるようにする。係る構成を有する面発光素子においては、溝部の存在によって発光体構造の歪みが緩和されることで、ピエゾ分極効果が低減されてなり、それゆえ、励起レーザー光の強度を高めたときに活性層内部のピエゾ電界の遮蔽効果によって発生するブルーシフトが、好適に抑制される。これにより、本実施の形態に係る面発光素子を備える外部共振器型垂直面発光レーザーにおいては、励起レーザー光の強度が大きい場合でも設計出力波長の光が効率よく放出される。

＜第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態に係る面発光素子１０は、下地基板である配向ＧａＮ基板１の結晶粒界１ｇに対応するランダムな位置に溝部Ｇ１を備えることで、素子内部の歪みが緩和されていたが、面発光素子の構成は、特に溝部の形成態様は、第１の実施の形態に示したものには限られない。例えば、溝部が規則的に（周期的に）設けられた態様であってもよい。

図５は、本実施の形態に係る面発光素子２０の構成を模式的に示す図である。図５（ａ）が面発光素子２０の上面図であり、図５（ｂ）が面発光素子２０の断面図である。

本実施の形態に係る面発光素子２０は、図５（ｂ）に示すように、下地基板であるｃ面方位の（ｃ軸配向した）単結晶ＧａＮ基板２１の上に、第１のＧａＮ層２２と、ＤＢＲ層２３と、活性層２４と、キャップ層としての第２のＧａＮ層２５とを、この順にエピタキシャル成長させて（つまりはｃ軸配向させて）積層したものである。加えて、面発光素子２０は、図５に示すように、第２のＧａＮ層２５から単結晶ＧａＮ基板２１にまで達する溝部Ｇ２を有する。

なお、図５（ｂ）においては、面発光素子２０の上面に（第２のＧａＮ層２５の上面に）反射防止膜２６が形成された様子を示している。より具体的には、反射防止膜２６は溝部Ｇ２のないところにのみ形成されている。

単結晶ＧａＮ基板２１としては、ＧａＮの（００２）面についてのＲＣ半値幅が０．１度未満のＧａＮ自立基板を用いる。単結晶ＧａＮ基板２１の平面サイズ（直径）および厚みには、面発光素子２０を形成するための処理および面発光素子２０の使用に際して問題とならない限りにおいて特段の制限はないが、例えば直径２インチ〜６インチで、厚みが３３０μｍ〜１０００μｍ程度のものが例示される。単結晶ＧａＮ基板２１としては、商業的に入手可能なものを用いてもよいし、例えばサファイア上にＧａＮ層を３〜１０μｍ程度の厚みに積層して作製する態様であってもよい。

第１のＧａＮ層２２と、ＤＢＲ層２３と、活性層２４と、第２のＧａＮ層２５とはそれぞれ、第１の実施の形態に係る面発光素子１０が備える第１のＧａＮ層２と、ＤＢＲ層３と、活性層４と、第２のＧａＮ層５と同様の組成および厚みを有するものである。それゆえ、本実施の形態に係る面発光素子２０は、層構成についてみれば、下地基板が異なるほかは、第１の実施の形態に係る面発光素子１０と同じであるといえる。よって、ＤＢＲ層２３はいずれも図示を省略する第１単位反射層と第２単位反射層とを繰り返し交互に積層することにより構成される。これらＤＢＲ層２３を構成する第１単位反射層と第２単位反射層とはそれぞれ、ＤＢＲ層３を構成する第１単位反射層３ａと第２単位反射層３ｂと同様の組成、厚み、および繰り返し数にて形成されている。また、活性層２４はいずれも図示を省略する第１単位活性層と第２単位活性層とを繰り返し交互に積層することにより構成されている。これら活性層２４を構成する第１単位活性層と第２単位活性層とはそれぞれ、活性層４を構成する第１単位活性層４ａと第２単位活性層４ｂと同様の組成、厚み、および繰り返し数にて形成されている。

なお、本実施の形態においても、第１のＧａＮ層２２、ＤＢＲ層２３、活性層２４、および第２のＧａＮ層２５の積層構造を、発光体構造とも称する。

その一方で、溝部Ｇ２の形成態様は、第１の実施の形態に係る面発光素子１０における溝部Ｇ１の形成態様とは異なる。すなわち、第１の実施の形態に係る面発光素子１０において、溝部Ｇ１は、配向ＧａＮ基板１に存在する結晶粒界１ｇの存在位置に対応してランダムに備わるものであったが、本実施の形態に係る面発光素子２０は、溝部Ｇ２が規則的に（周期的に）設けられた構成を有する。図５（ａ）に示す面発光素子２０の場合であれば、溝部Ｇ２が、一辺が単結晶ＧａＮ基板２１のａ軸方向に沿う平面視六角格子状に備わっている。

係る平面視六角格子状の溝部Ｇ２は、図５（ａ）に示すように、単結晶ＧａＮ基板２１の面内においてａ軸方向と直交するｍ軸方向における溝部Ｇ２同士の距離である、溝部Ｇ２の間隔ｘと、溝部Ｇ２の幅ｙとを定めることで、一義的に定まる。なお溝部Ｇ２の間隔ｘは、５μｍ〜２５μｍであることが好適である。また、溝部Ｇ２の幅ｙは、０．２μｍ〜２μｍであることが好適である。

また、第１の実施の形態に係る面発光素子１０の場合、発光体構造を構成する各層の形成時に溝部Ｇ１も自ずから形成されていたが、本実施の形態に係る面発光素子２０の作製は、単結晶ＧａＮ基板２１を用意し、その上に、第１の実施の形態に係る面発光素子１０おいて発光体構造を構成する各層の形成条件と同様の条件にて、面発光素子２０において発光体構造を構成する各層を一様に（あらかじめ定めた溝部Ｇ２の形成予定位置も含め）、エピタキシャル成長させて積層体を得た後、フォトリソグラフィプロセスにより溝部Ｇ２をその形成予定位置に形成することで実現される。

面発光素子２０は、発光体構造においては溝部Ｇ２によって区切られた複数の単位積層部分が下地基板である単結晶ＧａＮ基板２１の個々の結晶上に備わっており、それぞれの単位積層部分のｃ軸方位が単結晶ＧａＮ基板２１に倣っているという点において、第１の実施の形態に係る面発光素子１０と同様である。それゆえ、面発光素子２０においても、第１の実施の形態に係る面発光素子１０と同様、活性層２４を含む発光体構造内部に歪みが蓄積されていない。すなわち、面発光素子２０においても、発光体構造における（とりわけ、活性層４における）歪みが緩和された面発光素子構造が実現されている。係る歪みの緩和が実現されることで、本実施の形態に係る面発光素子２０においては、例えば単結晶ＧａＮ基板上に一様に（溝部Ｇ２を設けること無しに）各層を形成した面発光素子に比して、ピエゾ分極効果が低減されている。それゆえ、面発光素子２０においても、励起レーザー光の強度を高めたときに活性層２４内部のピエゾ電界の遮蔽効果によって発生するブルーシフトが、好適に抑制される。これは、面発光素子２０が設計出力波長の光を高効率に放出できることを意味する。

また、係る面発光素子２０は、第１の実施の形態に係る面発光素子１０と同様の態様にて、外部共振器型垂直面発光レーザー１００に組み込むことができる。それゆえ、本実施の形態に係る面発光素子２０も、第１の実施の形態に係る面発光素子１０と同様、活性層２４の組成に応じた波長の光を放出可能であり、かつ、励起レーザー光の強度が大きい場合でも高い発光効率を有した光励起半導体レーザー用励起媒体であるといえる。

そして、係る面発光素子２０を備える場合も、外部共振器型垂直面発光レーザー１００においては、励起レーザー光の強度が大きい場合でも設計出力波長の光を効率よく放出することができる。

なお、本実施の形態の場合、下地基板として単結晶ＧａＮ基板を用いており、また、フォトリソグラフィプロセスにおける溝部の形成が必須であることから、単結晶ＧａＮ基板よりも安価な配向多結晶基板である配向ＧａＮ基板を用い、かつ、溝部を形成する工程を独立で有さない第１の実施の形態の方が、コスト面および生産性の面で優れているとはいえる。

ただし、その一方で、本実施の形態に係る面発光素子２０の場合、その溝部Ｇ２の形成態様からも明らかなように、溝部Ｇ２の形成条件（例えば平面視六角格子状の溝部Ｇ２の場合であればｘ、ｙの値）を好適に調整することで、放出レーザー光ＬＢの強度を最適化することが可能である。

＜変形例＞
第２の実施の形態に係る面発光素子における規則的な（周期的な）溝部の形態は、本実施の形態に示す平面視六角格子状にものに限られず、三角格子状や四角格子状その他、種々の形態が採用されてよい。

また、第２の実施の形態のように、フォトリソグラフィプロセスにより溝部を形成するにあたって、その形成位置に必ずしも周期性がなくともよい。例えば規則性はあるが周期性はない態様にて溝部が形成される態様や、規則性を有さないように溝部が形成される態様であってもよい。あるいは、規則性を有する部分と有さない部分とが混在する態様であってもよい。

また、上述した第１および第２の実施の形態に係る面発光素子１０および２０は、外部共振器型垂直面発光レーザー１００の光共振器１０１の一構成要素となっていたが、これは必須の態様ではなく、励起発光する面発光素子として単独に用いることも可能である。この場合も、溝部を備えることによるブルーシフトの抑制という効果については、上述の実施の形態と同様に得ることができる。なお、このように面発光素子１０および２０が単独で用いられる場合、面発光素子１０および２０はＤＢＲ層３または２３を有することは必須ではない。

（実施例１、実施例２、および比較例１）
実施例１として第１の実施の形態に係る面発光素子１０を作製し、実施例２として第２の実施の形態に係る、溝部Ｇ２が平面視六角形状をなしている面発光素子２０を作製し、比較例１として溝部Ｇ２を設けない他は実施例２と同様の構成を有する面発光素子を作製し、これらの面発光素子をそれぞれ外部共振器型垂直面発光レーザー１００に組み込んで、その出力特性を評価した。

面発光素子１０の作成にあたってはまず、直径が２インチであり、厚さが４００μｍであり、個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径が２０μｍの配向ＧａＮ基板１を用意した。係る配向ＧａＮ基板１は、表面粗さＲＭＳが０．５ｎｍであり、ＲＣ半値幅が１．０度であった。

この配向ＧａＮ基板１をＭＯＣＶＤ炉（有機金属気相成長炉）内のサセプタに載置した後、窒素と水素をキャリアガスとして基板温度を１１００℃まで上げ、ＴＭＧとアンモニアとを原料ガスとして第１のＧａＮ層２を５０ｎｍの厚さに成長させた。

第１のＧａＮ層２が形成されると、次に、基板温度を８００℃まで低下させ、窒素をキャリアガスとし、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニアを原料ガスとして、Ｉｎ_０．１８Ａｌ_０．８２Ｎ層とＧａＮ層を交互に各々５５ｎｍ、５０ｎｍの厚さで全２０対形成した。これにより、Ｉｎ_０．１８Ａｌ_０．８２Ｎ層を第１単位反射層３ａとしＧａＮ層を第２単位反射層３ｂとするＤＢＲ層３が形成された。

ＤＢＲ層３が形成されると、次に、基板温度を７５０℃まで低下させ、窒素をキャリアガスとし、ＴＭＧとＴＭＩ、アンモニアを原料ガスとし、シランガスをドーパント原料として、ｎ型のＩｎ_０．２５ＧａＮ_０．７５層とｎ型ＧａＮ層とを交互に各々４ｎｍ、８ｎｍの厚さで全１５対形成した。これにより、Ｉｎ_０．２５ＧａＮ_０．７５層を第１単位活性層４ａとし、ＧａＮ層を第２単位活性層４ｂとする、ＭＱＷ構造の活性層４が形成された。

なお、Ｉｎ_０．２５ＧａＮ_０．７５層が第１単位活性層４ａとして採用される場合の面発光素子１０の設計出力波長は、５３０ｎｍである。

活性層４が形成されると、次に、窒素をキャリアガスとし、基板温度を一定としたまま、ＴＭＧとアンモニアとを原料ガスとして、第２のＧａＮ層５を５０ｎｍの厚みに形成してキャップ層とした。

第２のＧａＮ層５が形成されると、基板温度を窒素雰囲気にて室温まで下げたうえで、得られた積層構造体をＭＯＣＶＤ炉内から取出した。

レーザー顕微鏡により積層構造体の表面（第２のＧａＮ層５の上面）を観察したところ、配向ＧａＮ基板１の表面における結晶粒界１ｇの分布と同様の分布にて溝部Ｇ１が存在していることが確認された。個々の単位積層部分１０Ａの平面サイズは、配向ＧａＮ基板１を構成するＧａＮ結晶の面内方向におけるサイズと同程度であった。

以上のような態様にて得られた積層構造体を１０ｍｍ角に切り出すことで、面発光素子１０を得た。

実施例２に係る面発光素子１０の作製に際してはまず、直径が２インチであり、厚さが４００μｍである単結晶ＧａＮ基板２１を用意し、実施例１における第１のＧａＮ層２、ＤＢＲ層３、活性層４、および第２のＧａＮ層５の形成条件と同じ形成条件にて第１のＧａＮ層２２、ＤＢＲ層２３、活性層２４、および第２のＧａＮ層２５を形成した。これにより得られた積層構造体に対し、フォトリソグラフィプロセスにて溝部Ｇ２を形成した。その際には、ｘ＝２０μｍ、ｙ＝２μｍとし、溝部Ｇ２の深さは単結晶ＧａＮ基板２１にまで達する約０．５μｍとした。

以上のような態様にて得られた積層構造体を１０ｍｍ角に切り出すことで、面発光素子２０を得た。

比較例に係る面発光素子の形成は、溝部Ｇ２の形成を省略した他は、実施例２と同様とした。

それぞれの面発光素子について、表面に反射防止膜１２としてのＳｉＯ_２膜をスパッタにより約０．１μｍの厚みに形成した後、外部共振器型垂直面発光レーザー１００の光共振器１０１に組み込み、出力特性を評価した。光共振器１０１においては、設計出力波長である５３０ｎｍの波長の光が共振するように、共振ミラー１３と面発光素子との配置が定められる。

励起レーザー光源１０２としてはＮｄ：ＹＡＧレーザーの３次高調波（波長３５５ｎｍ）を用い、励起レーザー光ＬＢ０を直径約０．２ｍｍに集光したうえで面発光素子の表面に照射させた。

励起レーザー光ＬＢ０の強度を５０ｍＷ〜６００ｍＷの範囲で変化させ、光共振器１０１から放出された放出レーザー光ＬＢの強度を５３０ｎｍ±２ｎｍの波長範囲でフォトダイオードにて取得した。

図６は、実施例１、実施例２、および比較例１についての、励起レーザー光ＬＢ０の強度と放出レーザー光ＬＢの強度の関係を示すグラフである。

図６に示すように、実施例１の場合、放出レーザー光ＬＢの強度は励起レーザー光ＬＢ０の強度にほぼ比例した。これに対し、比較例１の場合、放出レーザー光ＬＢの強度は、励起レーザー光ＬＢ０の強度が１００ｍＷ以下の範囲では実施例１と同程度あるいは実施例１よりもやや大きかったが、励起レーザー光ＬＢ０の強度が２００ｍＷ以上の範囲では実施例１よりも小さくなり、励起レーザー光ＬＢ０が４００ｍＷ以上の範囲では急激に減少した。

比較例１に係る外部共振器型垂直面発光レーザー１００においてこのような強度の減少が生じたのは、比較例１に係る面発光素子から放出される光にブルーシフトが生じて設計出力波長である５３０ｎｍよりも短波長化し、光共振器１０１において増幅がされなかったためであると考えられる。

一方、実施例１の場合に放出レーザー光ＬＢの強度が励起レーザー光ＬＢ０の強度に比例しているということは、実施例１に係る外部共振器型垂直面発光レーザー１００においては、面発光素子１０から放出される光にブルーシフトが生じず、それゆえ、光共振器１０１において設計出力波長である５３０ｎｍが好適に増幅されるということを意味する。これは、実施例１において用いた面発光素子１０の構成が、ブルーシフトの低減に有効であるということを指し示している。

また、実施例２の場合、放出レーザー光ＬＢの強度は、励起レーザー光ＬＢ０の強度が４００ｍＷ以下の範囲では実施例１と同様に励起レーザー光ＬＢ０の強度にほぼ比例し、２００ｍＷ以下の範囲では実施例１との差も小さかったが、励起レーザー光ＬＢ０が５００ｍＷ以上の範囲では比較例１と同程度にまで急激に減少した。

実施例２において用いた面発光素子２０は、比較例１に係る面発光素子に溝部Ｇ２を形成したものである。それゆえ、実施例２の結果は、面発光素子２０のように溝部Ｇ２を有する構成を採用した場合、実施例１に比べれば限定的ではあるものの、比較例１において用いた溝部を有さない面発光素子と比べればブルーシフトの低減効果がある、ということを指し示している。

（実施例３）
実施例３として、配向ＧａＮ基板１を構成する個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径（以下、単に配向ＧａＮ基板１の平均粒径と称する）を０．３μｍ〜７０μｍの範囲で種々に違えたほかは、第１の実施の形態に係る面発光素子１０と同一の条件にて、複数の面発光素子１０を作製した。そして、それぞれの面発光素子１０を外部共振器型垂直面発光レーザー１００に組み込み、配向ＧａＮ基板１の平均粒径と外部共振器型垂直面発光レーザー１００から放出される放出レーザー光ＬＢの強度との関係を評価した。なお、それぞれの配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅の値は、０．８度〜１．２度の範囲に収まっていた。

励起レーザー光ＬＢ０は、直径約０．２ｍｍに集光し、強度を５００ｍＷとして面発光素子１０の表面に照射した。

図７は、実施例３についての、配向ＧａＮ基板１の平均粒径と放出レーザー光ＬＢの強度の関係を示すグラフである。

図７に示すように、放出レーザー光ＬＢの強度は、配向ＧａＮ基板１の平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で大きくなった。一方、配向ＧａＮ基板１の平均粒径が５μｍ未満の範囲、および３０μｍを超える範囲では、十分な強度が得られなかった。

係る結果は、第１の実施の形態に係る面発光素子１０を作製するにあたっては、配向ＧａＮ基板１として平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下のものを用いることが好適であるということを指し示している。

なお、配向ＧａＮ基板１の平均粒径が５μｍ未満の場合に放出レーザー光ＬＢの強度が小さいのは、配向ＧａＮ基板１の結晶粒界１ｇの密度が相対的に大きいことから、結晶粒界１ｇ上に形成される溝部Ｇ１同士の間隔が狭く、面発光素子１０内において設計出力波長の発光を担うｃ面方位にて成長したＭＱＷ構造を有する活性層４の面積が小さいためと考えられる。

一方、配向ＧａＮ基板１の平均粒径が３０μｍを超える場合に、放出レーザー光ＬＢの強度が小さいのは、配向ＧａＮ基板１の結晶粒界１ｇ上に形成される溝部Ｇ１同士の間隔が大きく、それゆえ面発光素子１０内においてＭＱＷ構造を有する活性層４における歪みの緩和が十分ではないために、活性層４からの放出光にブルーシフトが生じ、該放出光が光共振器１０１内で増幅されなかったためと考えられる。

（実施例４）
実施例４として、配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅の値を０．１度〜２．８度の範囲内で種々に違えたほかは、第１の実施の形態に係る面発光素子１０と同一の条件にて、複数の面発光素子１０を作製した。そして、それぞれの面発光素子１０を外部共振器型垂直面発光レーザー１００に組み込み、配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅と外部共振器型垂直面発光レーザー１００から放出される放出レーザー光ＬＢの強度との関係を評価した。なお、それぞれの配向ＧａＮ基板１の平均粒径は、１８μｍ〜２２μｍの範囲に収まっていた。

励起レーザー光ＬＢ０は、直径約０．２ｍｍに集光し、強度を５００ｍＷとして面発光素子１０の表面に照射した。

図８は、実施例４についての、配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅の値と放出レーザー光ＬＢの強度の関係を示すグラフである。

図８に示すように、放出レーザー光ＬＢの強度は、配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅が０．２度以上１．０度以下の範囲で大きくなった。一方、配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅が０．２度未満の範囲、および１．０度を超える範囲では、十分な強度が得られなかった。

なお、配向ＧａＮ基板１の（００２）面のＲＣ半値幅が１．０度を超える場合に、放出レーザー光ＬＢの強度が小さいのは、ＤＢＲ層３においてＤＢＲ構造が配向ＧａＮ基板１の主面Ｓと平行に形成されず、光共振器１０１内で放出光が十分に増幅されなかったためであると考えられる。

１ 配向ＧａＮ基板
１ｇ 結晶粒界
２、２２ 第１のＧａＮ層
３、２３ ＤＢＲ層
３ａ （ＤＢＲ層の）第１単位反射層
３ｂ （ＤＢＲ層の）第２単位反射層
４、２４ 活性層
４ａ （活性層の）第１単位活性層
４ｂ （活性層の）第２単位反射層
５、２５ 第２のＧａＮ層
１０、２０ 面発光素子
１０Ａ （面発光素子の）単位積層部分
１１ ヒートシンク
１２、２６ 反射防止膜
１３ 共振ミラー
２１ 単結晶ＧａＮ基板
１００ 外部共振器型垂直面発光レーザー
１０１ 光共振器
１０２ 励起レーザー光源
Ｇ１、Ｇ２ 溝部
ＬＢ 放出レーザー光
ＬＢ０ 励起レーザー光

Claims (16)

1. 外部共振器型垂直面発光レーザーの励起媒体用の面発光素子であって、
   ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した配向多結晶基板と、
   １３族窒化物半導体からなり、前記配向多結晶基板の上に設けられた発光体構造と、
   を備え、
   前記発光体構造が、それぞれが前記配向多結晶基板上に備わり、かつ、分布ブラッグ反射構造を有するＤＢＲ層と多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層とを有する複数の単位積層部分によって構成されており、
   前記複数の単位積層部分のそれぞれが、前記配向多結晶基板の個々の結晶上に設けられており、前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記配向多結晶基板の個々の結晶のｃ軸方位に倣っており、
   前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に、前記配向多結晶基板の主面上における結晶粒界に沿って存在する溝部が備わる、
   ことを特徴とする面発光素子。
2. 請求項１に記載の面発光素子であって、
   前記配向多結晶基板を構成する個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径は５μｍ〜３０μｍである、
   ことを特徴とする面発光素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の面発光素子であって、
   前記配向多結晶基板におけるＧａＮ（００２）面についてのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が０．２度〜１．０度である、
   ことを特徴とする面発光素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の面発光素子であって、
   前記単位積層部分のそれぞれが、
   前記配向多結晶基板の上に設けられた第１のＧａＮ層と、
   前記第１のＧａＮ層の上に設けられた前記ＤＢＲ層と、
   前記ＤＢＲ層の上に設けられたｎ型の前記活性層と、
   前記活性層の上に設けられた第２のＧａＮ層と、
   を備え、
   前記ＤＢＲ層が、
   Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位反射層と、
   ＧａＮからなる第２単位反射層と、
   が繰り返し交互に積層されることによって前記分布ブラッグ反射構造を有しており、
   前記活性層が、
   Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）という組成を有するｎ型の第１単位活性層と、
   ＧａＮからなるｎ型の第２単位活性層と、
   が繰り返し交互に積層されることで前記多重量子井戸構造を有している、
   ことを特徴とする面発光素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の面発光素子と、
   前記面発光素子の前記ＤＢＲ層との間で前記活性層において生じた励起発光を共振させる共振ミラーと、
   を備える光共振器と、
   前記面発光素子の前記活性層に対し励起レーザー光を照射する励起光源と、
   を備えることを特徴とする外部共振器型垂直面発光レーザー。
6. 外部共振器型垂直面発光レーザーの励起媒体用の面発光素子を製造する方法であって、
   ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した配向多結晶基板を用意する工程と、
   前記配向多結晶基板の上に、１３族窒化物半導体からなる発光体構造を形成する発光体構造形成工程と、
   を備え、
   前記発光体構造形成工程においては、前記発光体構造を、
   それぞれが前記配向多結晶基板の個々の結晶上に備わり、かつ、分布ブラッグ反射構造を有するＤＢＲ層と多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層とを有する複数の単位積層部分と、
   前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に備わる、前記配向多結晶基板の主面上における結晶粒界に沿った溝部と、
   を有するように、かつ、
   前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記配向多結晶基板の個々の結晶のｃ軸方位に倣うように、
   形成する、ことを特徴とする面発光素子の製造方法。
7. 請求項６に記載の面発光素子の製造方法であって、
   前記配向多結晶基板を構成する個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径は５μｍ〜３０μｍである、
   ことを特徴とする面発光素子の製造方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の面発光素子の製造方法であって、
   前記配向多結晶基板におけるＧａＮ（００２）面についてのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が０．２度〜１．０度である、
   ことを特徴とする面発光素子の製造方法。
9. 請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の面発光素子の製造方法であって、
   前記発光体構造形成工程が、
   前記配向多結晶基板の上に第１のＧａＮ層を形成する第１ＧａＮ層形成工程と、
   前記第１のＧａＮ層の上に前記ＤＢＲ層を形成するＤＢＲ層形成工程と、
   前記ＤＢＲ層の上に前記活性層を形成する活性層形成工程と、
   前記活性層の上に第２のＧａＮ層を形成する第２ＧａＮ層形成工程と、
   を備え、
   前記ＤＢＲ層形成工程においては、
   Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１−ｘ Ｎ（０≦ｘ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位反射層と、
   ＧａＮからなる第２単位反射層と、
   を繰り返し交互に積層することによって前記ＤＢＲ層を形成し、
   前記活性層形成工程においては、
   Ｉｎ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ（０＜ｙ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位活性層と、
   ＧａＮからなる第２単位活性層と、
   を繰り返し交互にかつｎ型のドーパントをドープさせつつ積層することによってｎ型の前記活性層を形成する、
   ことを特徴とする面発光素子の製造方法。
10. 外部共振器型垂直面発光レーザーの励起媒体用の面発光素子を製造する方法であって、
    ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した単結晶基板を用意する工程と、
    前記単結晶基板の上に、１３族窒化物半導体からなる発光体構造を形成する発光体構造形成工程と、
    を備え、
    前記発光体構造形成工程が、
    それぞれが前記単結晶基板上に備わり、かつ、分布ブラッグ反射構造を有するＤＢＲ層と多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層とを有する複数の単位積層部分と、
    前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に備わる溝部と、
    を有するように、かつ、
    前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記単結晶基板のｃ軸方位に倣うように、
    前記発光体構造を形成する工程であって、
    前記溝部の形成予定位置も含めた前記単結晶基板の上に、前記発光体構造を構成する各層を順次に一様にエピタキシャル成長させて積層体を得る積層工程と、
    前記積層体の前記形成予定位置において前記溝部を形成する溝部形成工程と、
    を備えることを特徴とする面発光素子の製造方法。
11. 請求項１０に記載の面発光素子の製造方法であって、
    前記溝部形成工程においては、前記溝部を、前記単結晶基板上に規則的に設ける、
    ことを特徴とする面発光素子の製造方法。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の面発光素子の製造方法であって、
    前記発光体構造形成工程が、
    前記単結晶基板の上に第１のＧａＮ層を形成する第１ＧａＮ層形成工程と、
    前記第１のＧａＮ層の上に前記ＤＢＲ層を形成するＤＢＲ層形成工程と、
    前記ＤＢＲ層の上に前記活性層を形成する活性層形成工程と、
    前記活性層の上に第２のＧａＮ層を形成する第２ＧａＮ層形成工程と、
    を備え、
    前記ＤＢＲ層形成工程においては、
    Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位反射層と、
    ＧａＮからなる第２単位反射層と、
    を繰り返し交互に積層することによって前記ＤＢＲ層を形成し、
    前記活性層形成工程においては、
    Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）という組成の１３族窒化物からなる第１単位活性層と、
    ＧａＮからなる第２単位活性層と、
    を繰り返し交互にかつｎ型のドーパントをドープさせつつ積層することによってｎ型の前記活性層を形成する、
    ことを特徴とする面発光素子の製造方法。
13. 面発光素子であって、
    ＧａＮからなるとともにｃ軸配向した配向多結晶基板と、
    １３族窒化物半導体からなり、前記配向多結晶基板の上に設けられた発光体構造と、
    を備え、
    前記発光体構造が、それぞれが前記配向多結晶基板上に備わり、かつ、多重量子井戸構造を有し外部からのレーザー光の照射によって励起発光する活性層を有する複数の単位積層部分によって構成されており、
    前記複数の単位積層部分のそれぞれが、前記配向多結晶基板の個々の結晶上に設けられており、前記複数の単位積層部分のそれぞれのｃ軸方位が、直下に存在する前記配向多結晶基板の個々の結晶のｃ軸方位に倣っており、
    前記複数の単位積層部分のそれぞれの間に、前記配向多結晶基板の主面上における結晶粒界に沿って存在する溝部が備わる、
    ことを特徴とする面発光素子。
14. 請求項１３に記載の面発光素子であって、
    前記配向多結晶基板を構成する個々のＧａＮ結晶の面内方向における平均粒径は５μｍ〜３０μｍである、
    ことを特徴とする面発光素子。
15. 請求項１３または請求項１４に記載の面発光素子であって、
    前記配向多結晶基板におけるＧａＮ（００２）面についてのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が０．２度〜１．０度である、
    ことを特徴とする面発光素子。
16. 請求項１３ないし請求項１５のいずれかに記載の面発光素子であって、
    前記単位積層部分のそれぞれが、
    前記配向多結晶基板の上に設けられた第１のＧａＮ層と、
    前記第１のＧａＮ層の上に設けられたｎ型の前記活性層と、
    前記活性層の上に設けられた第２のＧａＮ層と、
    を備え、
    前記活性層が、
    Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）という組成を有するｎ型の第１単位活性層と、
    ＧａＮからなるｎ型の第２単位活性層と、
    が繰り返し交互に積層されることで前記多重量子井戸構造を有している、
    ことを特徴とする面発光素子。