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公開番号2024170279
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-06
出願番号2023202604
出願日2023-11-30
発明の名称垂直共振器面発光レーザ素子
出願人日亜化学工業株式会社
代理人弁理士法人新樹グローバル・アイピー
主分類H01S 5/183 20060101AFI20241129BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】閾値電流のばらつきを低減させることができる垂直共振器面発光レーザ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】GaNを含む基板と、前記基板の上面に設けられるAlGaN下地層と、前記下地層の上面に設けられ、AlInN層を含む多層膜反射層と、前記多層膜反射層の上方に設けられるn側半導体層、活性層及びp側半導体層とを備える垂直共振器面発光レーザ素子。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ＧａＮを含む基板と、
前記基板の上面に設けられるＡｌＧａＮ下地層と、
前記下地層の上面に設けられ、ＡｌＩｎＮ層を含む多層膜反射層と、
前記多層膜反射層の上方に設けられるｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層とを備える垂直共振器面発光レーザ素子。
続きを表示（約 340 文字）【請求項２】
前記下地層が、Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎであり、ｘは０．０１以上０．０８未満である請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記下地層が、３．５μｍ以下の厚みを有する請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記ＡｌＩｎＮ層は、Ｉｎ組成比が１％以上３０％以下である請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記基板が、０．４°以上１０°以下のオフ角を有する請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記ｐ側半導体層上に、電極層及び反射層をさらに備える請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器面発光レーザ素子に関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体素子の一例である垂直共振器面発光レーザ素子は、例えば、ＧａＮ系半導体層と、多層膜反射層とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００３－１０１１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
基板と多層膜反射層との間にＧａＮ層を設けた場合、表面モフォロジが荒れることがある。その結果、多層膜反射層の平坦性が低下してしまうことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願の一形態に係る発明は、
ＧａＮを含む基板と、
前記基板の上面に設けられるＡｌＧａＮ下地層と、
前記下地層の上面に設けられ、ＡｌＩｎＮ層を含む多層膜反射層と、
前記多層膜反射層の上方に設けられるｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層とを備える垂直共振器面発光レーザ素子である。
【発明の効果】
【０００６】
本願の上述した発明によれば、閾値電流のばらつきを低減させることができる垂直共振器面発光レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
一実施形態に係る垂直共振器面発光レーザ素子を示す概略断面図である。
実施例における垂直共振器面発光レーザ素子の構造を示す概略断面図である。
比較例における垂直共振器面発光レーザ素子の構造を示す概略断面図である。
実施例および比較例において、複数の垂直共振器面発光レーザ素子における閾値電流の累積分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に説明する実施の形態は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。各図面が示す部材の大きさ、厚み、位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。面発光レーザ素子は、各部材について、面発光レーザ素子の光取り出し面側を第１面又は下面、光取り出し面の反対側を第２面又は上面と称することがある。
【０００９】
実施形態１：垂直共振器面発光レーザ素子
本開示の実施形態１に係る垂直共振器面発光レーザ素子１０は、図１に示すように、ＧａＮを含む基板１と、基板１の上面に設けられるＡｌＧａＮ下地層１２（以降、下地層１２と称する）と、下地層１２の上面に設けられ、ＡｌＩｎＮ層を含む多層膜反射層１１と、多層膜反射層１１の上方に設けられるｎ側半導体層２、活性層３及びｐ側半導体層４を含む半導体積層体５とを備える。
なお、下地層１２は、基板１上に結晶成長する際の第一層目として機能する。
本開示の実施形態１とは異なり、基板１にＧａＮ層の下地層１２を形成すると、反射率が十分でないことがある。この原因として、下地層１２の表面モフォロジが十分ではないことが原因であると予想し、本開示の実施形態１のように、下地層１２をＡｌＧａＮ層によって形成すると、下地層１２の表面モフォロジが改善した。この理由としては、結晶成長中のＡｌアドアトムの拡散長がＧａと比較して大きいためであると考えられる。なお、アドアトムとは、層の最も表面側に位置する原子を指す。下地層１２の表面モフォロジが改善することで、その上に設けられる多層膜反射層１１の平坦性が向上し、多層膜反射層１１の実質的な反射率が向上する。その結果、垂直共振器面発光レーザ素子１０における閾値電流のばらつきを低減させることができる。また、複数の垂直共振器面発光レーザ素子１０における閾値電流の平均値を低下させることができる。なお、閾値電流とは垂直共振器面発光レーザ素子１０のレーザ発振に必要な最小電流を意味する。
垂直共振器面発光レーザ素子１０は、ｐ側半導体層４上に電極層６を備え、電極層６上に反射層８を備えていることが好ましい。このような構成により、反射層８による光の反射特性を良好なものとすることができる。また、垂直共振器面発光レーザ素子１０は、ｎ側半導体層２上に電極層９ｎを備えるものが好ましい。このような構造とすることで、電流経路として多層膜反射層１１を通過する必要がなくなるため、多層膜反射層１１にｎ型不純物をドープする必要がなく、多層膜反射層１１の反射率をより向上させることができる。なお、本開示の実施形態１に係る垂直共振器面発光レーザ素子１０は、基板１側からレーザ光を出射する。
【００１０】
（基板１）
基板１は、ｎ側半導体層２、活性層３及びｐ側半導体層４を含む半導体積層体５を成長させるための土台として機能する。基板１は、半導体積層体５の材料によって、適宜選択することができるが、ＧａＮを含むことが好ましく、なかでも、ＧａＮの単層による基板を基板１として用いることが好ましい。ＧａＮの単層による基板を基板１として用いることで、基板１の上面に設ける下地層１２の結晶性を良質なものにすることができる。
基板１は、その主面に対するオフ角を有していてもよい。所定のオフ角を有し、原子ステップ間隔が適切な基板を基板１として用いると、下地層１２を結晶性よく成長させることができる。基板１の主面に垂直な方向は、例えば、＜０００１＞方向が挙げられる。基板１の主面に垂直な方向は、＜０００１＞方向と平行でもよく、＜０００１＞方向に対して、所定のオフ角で傾きを有していてもよい。また、オフ角の＜１１－２０＞軸に沿った方向成分は、例えば、０．４°以上１０°以下である。オフ角の＜１－１００＞軸に沿った方向成分は、例えば０°以上０．４°以下である。オフ角の＜１１－２０＞軸に沿った方向成分と＜１－１００＞軸に沿った方向成分とを合成した合成オフ角は、例えば、０．４°以上１０°以下が挙げられ、０．４°以上０．６°以下が好ましい。合成オフ角を０．６°以下とすることで、ステップバンチングの発生を抑制し、下地層１２の表面モフォロジの悪化を抑制することができる。また、合成オフ角を０．４°以上とすることで、螺旋転位を起点としたヒロックの発生を抑制し、表面モフォロジの悪化を抑制することができる。
基板１は、上下面が互いに平行なものが好ましく、上下面が平坦であるものが好ましい。このような構成により、垂直共振器面発光レーザ素子１０から出射するレーザ光の品質を高めることができる。基板１の表面は、若干の凹凸があってもよく、その凹凸は、表面粗さＲａが、例えば、０ｎｍ以上１ｎｍ以下のものが挙げられる。あるいは、算術平均粗さＳａが、例えば、０ｎｍ以上１ｎｍ以下のものが挙げられる。基板１は、厚みが、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下であるものを用いることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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