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JP7614488B2 - Vertical cavity surface emitting laser device and its manufacturing method - Google Patents
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JP7614488B2 - Vertical cavity surface emitting laser device and its manufacturing method - Google Patents

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JP7614488B2 JP2020165718A JP2020165718A JP7614488B2 JP 7614488 B2 JP7614488 B2 JP 7614488B2 JP 2020165718 A JP2020165718 A JP 2020165718A JP 2020165718 A JP2020165718 A JP 2020165718A JP 7614488 B2 JP7614488 B2 JP 7614488B2
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Description

本開示は、垂直共振器面発光レーザ素子及びその製造方法に関する。 This disclosure relates to a vertical cavity surface emitting laser element and a method for manufacturing the same.

従来から、窒化物半導体を用いて、垂直共振器面発光レーザとして機能するレーザ素子の研究が進められており、反射鏡として半導体多層膜を用いることなどが提案されている。特許文献1には、(20-21)面のGaNを主面として有する発光素子が記載されている。特許文献2には、半導体基板の半極性面上にAlInN層及びGaN層を積層した反射鏡を有する半導体発光素子が記載されている。 Research has been conducted on laser elements that function as vertical cavity surface emitting lasers using nitride semiconductors, and the use of semiconductor multilayer films as reflectors has been proposed. Patent Document 1 describes a light emitting device having a (20-21) GaN main surface. Patent Document 2 describes a semiconductor light emitting device having a reflector in which an AlInN layer and a GaN layer are stacked on a semipolar surface of a semiconductor substrate.

WO2018/116596号WO2018/116596 特開2017-168560号公報JP 2017-168560 A

しかし、半極性面等を主面とする基板上に形成された、半導体多層膜として用いられる窒化物半導体の結晶面によっては、光反射膜の反射率が設計通りに得られない場合がある。 However, depending on the crystal plane of the nitride semiconductor used as a semiconductor multilayer film formed on a substrate whose main surface is a semipolar plane or the like, the reflectivity of the light-reflecting film may not be as designed.

本開示は、以下の発明を含む。
〔1〕第1窒化物半導体層と、該第1窒化物半導体層とは組成の異なる第2窒化物半導体層とを含み、前記第1窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がnであり、以下の式(1)で表される厚みLを有し、かつ前記第2窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第1の偏光方向と前記第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がnであり、以下の式(2)で表される厚みLを有する、第1光反射膜と、
前記第1光反射膜の上に配置され、活性層を有する窒化物半導体の積層体と、
前記積層体の上方に配置された第2光反射膜とを備える垂直共振器面発光レーザ素子。
=λ/(4・n) (1)
=λ/(4・n) (2)
〔2〕基板の上に、第1光反射膜を成長させ、
該第1光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、
該積層体の上に、第2光反射膜を成長させることを含む垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法であって、
前記第1光反射膜を、
第1窒化物半導体層と、該第1窒化物半導体層とは組成の異なる第2窒化物半導体層とを含む、2種以上の単結晶の窒化物半導体層の積層により形成し、
前記第1窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がnであり、以下の式(1)で表される厚みLを有し、かつ前記第2窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第1の偏光方向と前記第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がnであり、以下の式(2)で表される厚みLを有する膜とする垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
=λ/(4・n) (1)
=λ/(4・n) (2)
(式中、λは共振波長を示す。)
The present disclosure includes the following inventions.
[1] A first light reflecting film including a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer having a different composition from that of the first nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer having a plurality of refractive indexes different between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n1 , and having a thickness L1 represented by the following formula (1), and the second nitride semiconductor layer having a plurality of refractive indexes different between the first polarization direction and the second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n2 , and having a thickness L2 represented by the following formula (2);
a nitride semiconductor layer disposed on the first light reflecting film and having an active layer;
and a second optical reflection film disposed above the laminate.
L 1c /(4・n 1 ) (1)
L 2c /(4・n 2 ) (2)
[2] Growing a first light-reflecting film on a substrate;
growing a nitride semiconductor layer including an active layer on the first light reflecting film;
a second optical reflecting film is grown on the laminate,
The first light reflecting film,
The semiconductor device is formed by laminating two or more types of single crystal nitride semiconductor layers, including a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer having a different composition from the first nitride semiconductor layer;
the first nitride semiconductor layer has a plurality of refractive indexes that differ between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n1 , and has a thickness L1 expressed by the following formula (1); and the second nitride semiconductor layer has a plurality of refractive indexes that differ between the first polarization direction and the second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n2 , and has a thickness L2 expressed by the following formula (2).
L 1c /(4・n 1 ) (1)
L 2c /(4・n 2 ) (2)
(In the formula, λ c represents the resonance wavelength.)

本開示の一態様によれば、より反射率が向上した光反射膜を備えた垂直共振器面発光レーザ素子及びその製造方法を提供することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to provide a vertical cavity surface emitting laser element having a light reflecting film with improved reflectance, and a method for manufacturing the same.

本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子における第1反射鏡の構造を説明するための要部の概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view of a main portion for explaining the structure of a first reflector in the vertical cavity surface emitting laser element of the embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子の積層構造を説明するための概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view for explaining a layered structure of a vertical cavity surface emitting laser element according to one embodiment of the present invention. 垂直共振器面発光レーザ素子の変形例を示す概略断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of a vertical cavity surface emitting laser element. (20-21)面を主面とするAlInN/GaN多層膜の[-1014]軸偏光、[-12-10]軸偏光及び無偏光の反射スペクトルを示すグラフである。1 is a graph showing the reflection spectra of [−1014] axial polarized light, [−12-10] axial polarized light, and unpolarized light of an AlInN/GaN multilayer film having a (20-21) plane as a principal surface. 図3AのX部の拡大図である。FIG. 3B is an enlarged view of the portion X in FIG. 3A.

以下、本開示の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、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。また、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。数値範囲を示す場合、「~」の両側の値は含まれるものとする。 Below, an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings as appropriate. However, the embodiment described below is intended to embody the technical ideas of the present disclosure, and unless otherwise specified, the present disclosure is not limited to the following. Furthermore, the content described in one embodiment or example can be applied to other embodiments or examples. The size, thickness, positional relationship, etc. of the components shown in each drawing may be exaggerated for clarity. When indicating a numerical range, the values on both sides of "~" are included.

〔垂直共振器面発光レーザ素子8〕
本発明の一実施形態の垂直共振器面発光レーザ素子8は、図1A及び1Bに示すように、第1光反射膜10と、活性層を有する窒化物半導体の積層体3と、第2光反射膜6とを備える。第1光反射膜10は、第1窒化物半導体層11と、第1窒化物半導体層11とは組成の異なる第2窒化物半導体層12とを含む窒化物半導体多層膜からなる。第1窒化物半導体層11は、主面に入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、第1の偏光方向に対する屈折率がnであり、以下の式(1)で表される厚みLを有する。第2窒化物半導体層12は、主面に入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、第1の偏光方向に対する屈折率がnであり、以下の式(2)で表される厚みLを有する。ここで主面に入射する光とは、具体的には活性層から放出される光を指す。窒化物半導体の積層体3は、第1光反射膜10の上に配置されている。第2光反射膜6は、積層体3の上方に配置されている。
=λ/(4・n) (1)
=λ/(4・n) (2)
窒化物半導体層を活性層に有するレーザ素子は、成長させる面を極性面とした場合、ピエゾ電界が生じることで閾値電流の上昇が懸念される。一方で、極性面ではなく半極性面もしくは非極性面の基板上に形成される窒化物半導体の積層体は、このようなピエゾ電界の発生を抑制し、閾値電流をより低減することができる。
しかし、第1光反射膜を構成する窒化物半導体多層膜では、極性面においては屈折率に異方性がないが、半極性面及び非極性面においては屈折率の異方性がある。そのため、第1光反射膜に用いる窒化物半導体多層膜を特定の偏光方向の光に対する屈折率を用いて設計することにより、第1光反射膜の反射率を向上させることができる。その結果、閾値電流を低減することが可能となる。また、窒化物半導体多層膜の屈折率に合わせて反射膜を設計することにより、反射帯域、つまり、反射率が安定して高い範囲を広くすることができる。その結果、製造時のずれに対する許容度を向上することができ、垂直共振器面発光レーザ素子の歩留まりを向上させることが可能となる。
[Vertical Cavity Surface Emitting Laser Element 8]
As shown in Figures 1A and 1B, a vertical cavity surface emitting laser element 8 according to an embodiment of the present invention includes a first light reflecting film 10, a nitride semiconductor stack 3 having an active layer, and a second light reflecting film 6. The first light reflecting film 10 is made of a nitride semiconductor multilayer film including a first nitride semiconductor layer 11 and a second nitride semiconductor layer 12 having a different composition from the first nitride semiconductor layer 11. The first nitride semiconductor layer 11 has a plurality of refractive indexes different between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on the main surface, the refractive index for the first polarization direction is n1 , and the thickness L1 is expressed by the following formula (1). The second nitride semiconductor layer 12 has a plurality of refractive indexes different between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on the main surface, the refractive index for the first polarization direction is n2 , and the thickness L2 is expressed by the following formula (2). Here, the light incident on the main surface specifically refers to light emitted from the active layer. The nitride semiconductor stack 3 is disposed on the first light reflecting film 10. The second light reflecting film 6 is disposed above the stack 3.
L 1c /(4・n 1 ) (1)
L 2c /(4・n 2 ) (2)
In a laser element having a nitride semiconductor layer as an active layer, if the growth surface is a polar surface, there is a concern that a piezoelectric field will be generated and the threshold current will increase. On the other hand, a nitride semiconductor stack formed on a substrate having a semi-polar or non-polar surface rather than a polar surface can suppress the generation of such a piezoelectric field and further reduce the threshold current.
However, in the nitride semiconductor multilayer film constituting the first light reflecting film, the refractive index is not anisotropic on the polar plane, but is anisotropic on the semipolar and nonpolar planes. Therefore, by designing the nitride semiconductor multilayer film used in the first light reflecting film using the refractive index for light of a specific polarization direction, the reflectance of the first light reflecting film can be improved. As a result, it becomes possible to reduce the threshold current. In addition, by designing the reflecting film according to the refractive index of the nitride semiconductor multilayer film, it becomes possible to widen the reflection band, that is, the range in which the reflectance is stable and high. As a result, it becomes possible to improve the tolerance for deviations during manufacturing, and to improve the yield of vertical cavity surface emitting laser elements.

(第1光反射膜10)
第1光反射膜10は、図1Aに示すように、第1窒化物半導体層11と、第1窒化物半導体層11と組成の異なる第2窒化物半導体層12とを含む窒化物半導体多層膜からなる。第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層は、単結晶の窒化物半導体層であることが好ましい。窒化物半導体層が単結晶である場合、第1光反射膜10上に形成する窒化物半導体の積層体3をより良質な結晶とすることができる傾向がある。
第1窒化物半導体層11は、主面11aに入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。この第1窒化物半導体層11は、上述した式(1)で表される厚みLを有する。式(1)において、第1の偏光方向に対する第1窒化物半導体層11の屈折率はnで表されている。
第2窒化物半導体層12は、主面12aに入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。この第2窒化物半導体層12は、上述した式(2)で表される厚みLを有する。式(2)において、第1の偏光方向に対する第2窒化物半導体層12の屈折率はnで表されている。
例えば、第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層12は、GaN、AlInN、AlGaN等によって形成することができる。第1窒化物半導体層11にAlInN層を用いる場合、AlX1InY1Nは、0.1≦X1≦0.25、0.75≦Y1≦0.9であってよく、0.14≦X1≦0.21、0.79≦Y1≦0.86であることが好ましい。AlInN層の組成が上述の範囲であると、転位やクラックの発生をより効果的に抑制できる傾向がある。また、屈折率差と構成整合の観点から、なかでも、第1窒化物半導体層11がAlInN層、第2窒化物半導体層12がGaN層であることが好ましい。そして、上述したように複数の屈折率を有するために、これらの窒化物半導体層の主面、つまり光入射面が、半極性面又は非極性面であることが挙げられる。具体的には、{10-10}面、{10-12}面、{10-11}面、{11-20}面、{20-21}面、{11-22}面、{11-23}面、{11-26}面、{10-1-1}面、{30-31}面、{30-3-1}面等が挙げられる。また、これらの面に対して0~3°程度のオフ角を有するものであってもよい。なかでも、これらの窒化物半導体層の主面は{20-21}面であることが好ましい。{20-21}面を主面とする窒化物半導体層とする場合、他の半極性面を主面とする場合に比べて、結晶性成長させやすく、発光素子におけるピエゾ分極をより抑制できる傾向がある。
また、第1の偏光方向及び第2の偏光方向とは、特に限定されるものではなく、第1の偏光方向と第2の偏光方向とが異なっていればよい。例えば、第1の偏光方向を六方晶におけるa軸偏光方向とする場合、第2の偏光方向はc軸偏光方向とすることができる。これらは逆でもよい。
具体的には、第1の偏光方向及び第2の偏光方向としては、[-12-10]軸方向、[-11-10]軸方向、[-1014]軸方向、[-1012]軸方向、[-1011]軸方向、[-11-26]軸方向、[11-2-3]軸方向、[-11-22]軸方向、[0001]軸方向、[1-100]軸方向等が挙げられる。例えば第2の偏光方向は第1の偏光方向に対して垂直な方向とすることが挙げられる。特に、第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層12の主面が(10-10)面(m面、非極性面)であり、第1の偏光方向が[1-210]軸(a軸)方向であるか、主面が(10-12)面(r面、半極性面)であり、第1の偏光方向が[-12-10]軸(a軸)方向であるか、主面が(11-22)面(半極性面)であり、第1の偏光方向が[1-100]軸(m軸)方向であるか、主面が(10-11)面(半極性面)であり、第1の偏光方向が[-12-10]軸(a軸)方向であるか、主面が(20-2-1)面(半極性面)であり、第1の偏光方向が[-12-10]軸(a軸)方向であるか、主面が(20-21)面(半極性面)であり、第1の偏光方向が[-12-10]方向であることが好ましい。
第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層12の主面と第1偏光方向について、上記のような組み合わせを採用する場合には、第1偏光方向の光は積層体の界面の散乱損失が少なくなる傾向があるため、第1偏光方向に対する屈折率を用いて反射膜を設計することで閾値電流を低減することができる。
具体的には、主面が(20-21)面であり、第1の偏光方向が[-12-10]軸方向、第2の偏光方向が[-1014]軸方向であることが好ましい。
(First light reflective film 10)
As shown in FIG. 1A, the first light reflecting film 10 is a nitride semiconductor multilayer film including a first nitride semiconductor layer 11 and a second nitride semiconductor layer 12 having a different composition from the first nitride semiconductor layer 11. The first and second nitride semiconductor layers are preferably single crystal nitride semiconductor layers. When the nitride semiconductor layer is single crystal, a first light reflecting film 10 is formed on the first nitride semiconductor layer. This tends to result in better quality crystals of the nitride semiconductor laminate 3 that is formed.
The first nitride semiconductor layer 11 has a plurality of refractive indices that differ between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on the primary surface 11a. , and has a thickness L1 represented by the above-mentioned formula (1). In formula (1), the refractive index of the first nitride semiconductor layer 11 with respect to the first polarization direction is represented by n1 .
The second nitride semiconductor layer 12 has a plurality of refractive indices that differ between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on the primary surface 12a. , and has a thickness L2 represented by the above-mentioned formula (2). In formula (2), the refractive index of the second nitride semiconductor layer 12 with respect to the first polarization direction is represented by n2 .
For example, the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12 can be formed of GaN, AlInN, AlGaN , etc. When an AlInN layer is used for the first nitride semiconductor layer 11, N may be 0.1≦X1≦0.25, 0.75≦Y1≦0.9, and is preferably 0.14≦X1≦0.21, 0.79≦Y1≦0.86. When the composition of the AlInN layer is in the above-mentioned range, the occurrence of dislocations and cracks tends to be more effectively suppressed. In addition, from the viewpoint of refractive index difference and structural matching, it is preferable that the first nitride semiconductor It is preferable that the layer 11 is an AlInN layer, and the second nitride semiconductor layer 12 is a GaN layer. Since the nitride semiconductor layers have a plurality of refractive indices as described above, the primary surfaces of these nitride semiconductor layers, that is, the light incidence surfaces, The surface may be a semi-polar surface or a non-polar surface. Specifically, the {10-10} plane, the {10-12} plane, the {10-11} plane, the {11-20} plane, the {20-21} plane, the {11-22} plane, the {11- 23} plane, {11-26} plane, {10-1-1} plane, {30-31} plane, {30-3-1} plane, etc. The nitride semiconductor layer may have an off-angle of about 3°. In particular, the main surface of these nitride semiconductor layers is preferably a {20-21} plane. In the case of a nitride semiconductor layer having such a structure, crystal growth is easier than in the case of a nitride semiconductor layer having another semipolar plane as the main surface, and piezoelectric polarization in the light-emitting device tends to be more effectively suppressed.
In addition, the first polarization direction and the second polarization direction are not particularly limited, and it is sufficient that the first polarization direction and the second polarization direction are different. For example, the first polarization direction is the a-axis polarization direction in a hexagonal crystal, the second polarization direction can be the c-axis polarization direction.
Specifically, the first polarization direction and the second polarization direction are a [-12-10] axial direction, a [-11-10] axial direction, a [-1014] axial direction, and a [-1012] axial direction. , [-1011] axial direction, [-11-26] axial direction, [11-2-3] axial direction, [-11-22] axial direction, [0001] axial direction, [1-100] axial direction, etc. For example, the second polarization direction may be perpendicular to the first polarization direction. In particular, the primary surfaces of the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12 are (10-10) planes (m-planes, non-polar planes), and the first polarization direction is the [1-210] axis. (a-axis) direction, or the principal surface is a (10-12) plane (r-plane, semi-polar plane) and the first polarization direction is the [-12-10] axis (a-axis) direction. , the principal surface is a (11-22) plane (semi-polar plane), and the first polarization direction is [1-1 00] axis (m-axis) direction, or the principal surface is a (10-11) plane (semi-polar plane) and the first polarization direction is the [-12-10] axis (a-axis) direction. , the principal surface is a (20-2-1) plane (semi-polar plane), the first polarization direction is the [-12-10] axis (a-axis) direction, or the principal surface is a (20-21) It is preferable that the first polarization direction is a [-12-10] direction.
When the above-mentioned combination of the primary surfaces and the first polarization direction of the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12 is adopted, the light having the first polarization direction is scattered at the interface of the stacked body. Since there is a tendency for loss to be small, the threshold current can be reduced by designing the reflective film using the refractive index for the first polarization direction.
Specifically, it is preferable that the main surface is a (20-21) plane, the first polarization direction is a [-12-10] axial direction, and the second polarization direction is a [-1014] axial direction.

ここで、結晶構造について、軸方向に関する個別方位は[]、個別面は()、集合面は{}でそれぞれ示し、また、指数の前にマイナスを付すことによって、その指数が負であることを示している。 Here, for the crystal structure, individual axial directions are indicated with [ ], individual planes with ( ), and collective planes with { }, and a minus sign before an index indicates that the index is negative.

第1窒化物半導体層11は、主面11aに入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。言い換えると、第1窒化物半導体層11は、主面11aに入射する光に対して、偏光方向の違いによって複数の屈折率を有する。第2窒化物半導体層12は、主面12aに入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有する。言い換えると、第2窒化物半導体層12は、主面12aに入射する光に対して、偏光方向の違いによって複数の屈折率を有する。
例えば、第1窒化物半導体層11が主面を(20-21)面とするAl0.8In0.2N層であり、第1の偏光方向を[-12-10]軸方向とした場合、第1の偏光方向の光に対する屈折率は、例えば、波長400nm~800nmにおいて、2.56~2.32となる。
また、第2窒化物半導体層12が主面を(20-21)面とするGaN層であり、第1の偏光方向を[-12-10]軸方向とした場合、第1の偏光方向の光に対する屈折率は、例えば、波長400nm~800nmにおいて、2.26~2.16となる。
第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層12はそれぞれが一定の厚みで繰り返し交互に積層されたものであってよい。
ここで、レーザ素子の共振波長λとは、共振器長Lから以下の式(3)によって求められる値である。
λ=2n・L/m (3)
式中、nは共振器の実効屈折率、mは共振器の中に何波長分の光が含まれるかを数値で表したものである。
本実施形態では、第2光反射膜の積層体側の端部から第1光反射膜の積層体側の端部までの長さを共振器長とし、その共振器長Lは840nmであるが、この共振器長は、後述する窒化物半導体の積層体及びp側電極等の厚みによって適宜設定される。
The first nitride semiconductor layer 11 has a plurality of refractive indices that differ between the first polarization direction and the second polarization direction for light incident on the primary surface 11a. In other words, the first nitride semiconductor layer 11 has a plurality of refractive indices for light incident on the primary surface 11a depending on the difference in the polarization direction. The second nitride semiconductor layer 12 has a plurality of refractive indices that differ between the first polarization direction and the second polarization direction for light incident on the primary surface 12a. In other words, the second nitride semiconductor layer 12 has a plurality of refractive indices for light incident on the primary surface 12a depending on the difference in the polarization direction.
For example, when the first nitride semiconductor layer 11 is an Al 0.8 In 0.2 N layer having a (20-21) plane as its principal surface and the first polarization direction is the [-12-10] axial direction, the refractive index for light in the first polarization direction is, for example, 2.56 to 2.32 at a wavelength of 400 nm to 800 nm.
Furthermore, when the second nitride semiconductor layer 12 is a GaN layer whose principal surface is the (20-21) plane and the first polarization direction is the [-12-10] axial direction, the refractive index for light in the first polarization direction is, for example, 2.26 to 2.16 at a wavelength of 400 nm to 800 nm.
The first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12 may be repeatedly laminated alternately to a constant thickness.
Here, the resonant wavelength λ c of the laser element is a value calculated from the resonator length L c by the following formula (3).
λ c =2n c・L c /m (3)
In the formula, n is the effective refractive index of the resonator, and m is a numerical value representing how many wavelengths of light are contained in the resonator.
In this embodiment, the length from the end of the second light reflecting film on the stack side to the end of the first light reflecting film on the stack side is defined as the resonator length, and the resonator length Lc is 840 nm. However, this resonator length is appropriately set depending on the thickness of the nitride semiconductor stack and the p-side electrode, which will be described later.

(窒化物半導体の積層体3)
窒化物半導体の積層体3は、第1光反射膜10を構成する窒化物半導体多層膜の上面に配置されていることが好ましい。また、窒化物半導体の積層体3は、活性層3aを有する。具体的には、図1Bに示すように、窒化物半導体の積層体3は、III族窒化物半導体からなるn側半導体層3n、III族窒化物半導体からなる活性層3a、III族窒化物半導体からなるp側半導体層3pが、第1光反射膜10側からこの順に積層されて構成されていることが好ましい。III族窒化物半導体としては、例えば、AlN、InN、GaN、AlInN、AlGaN、InGaN、AlInGaNが挙げられる。
この中でも特に活性層3aはInGaN井戸層を含むことが好ましい。InGaN井戸層を活性層に有する半導体発光素子の利得は、[-12-10]方向の偏光成分の割合が他の偏光成分と比べて多い傾向があるため、[-12-10]方向に対する屈折率を用いて第1光反射膜10を設計することで、反射率をより高くすることができ、閾値電流を低減することができる。
n側半導体層3nは、活性層3aと第1光反射膜10との間に配置されていることが好ましい。n側半導体層3nは、単層又は多層であり、アンドープの層を有していてもよく、n型不純物、例えば、Si等をドープしたn型層を1層以上有する。活性層3aは、例えば、InGaNよりなる量子井戸層と、GaNよりなる障壁層とを交互に積層した積層構造である。積層数は所望の特性により適宜設定することができる。p側半導体層3pは、p側光スペーサ層と、その上に配置されたp側コンタクト層を有することができる。p側コンタクト層は、p型不純物、例えば、Mg等がドープされた層である。p側光スペーサ層は、p型不純物を、p側コンタクト層よりもp型不純物を低濃度でドープした層又はアンドープの層とすることができる。この場合、p側コンタクト層はp側半導体層3pの最上層とする。
n側半導体層3n、活性層3a及びp側半導体層3pの各厚みは、適宜設定することができる。第1光反射膜10の上面から後述する第2光反射膜6の下面までの全厚みをλ/(2n)の整数倍とし、その間に定在波が生じるように設定する。そして、定在波の最も強い部分が活性層3aに、定在波の最も弱い部分が、後述する透光性のp側電極4に位置するように配置する。
p側半導体層3pは、その上面がp側電極4に接触するものが挙げられる。特に、p側半導体層3pは、活性層3aと後述する第2光反射膜6との間に配置されていることが好ましい。
(Nitride Semiconductor Laminate 3)
The nitride semiconductor stack 3 is preferably disposed on the upper surface of the nitride semiconductor multilayer film constituting the first light reflecting film 10. The nitride semiconductor stack 3 also has an active layer 3a. Specifically, as shown in Fig. 1B, the nitride semiconductor stack 3 is preferably configured by stacking an n-side semiconductor layer 3n made of a Group III nitride semiconductor, an active layer 3a made of a Group III nitride semiconductor, and a p-side semiconductor layer 3p made of a Group III nitride semiconductor in this order from the first light reflecting film 10 side. Examples of Group III nitride semiconductors include AlN, InN, GaN, AlInN, AlGaN, InGaN, and AlInGaN.
Among these, it is particularly preferable that the active layer 3a contains an InGaN well layer. Since the gain of a semiconductor light emitting device having an InGaN well layer in the active layer tends to be higher in the proportion of the polarization component in the [-12-10] direction than in other polarization components, the reflectance can be increased and the threshold current can be reduced by designing the first light reflecting film 10 using the refractive index in the [-12-10] direction.
The n-side semiconductor layer 3n is preferably disposed between the active layer 3a and the first light reflecting film 10. The n-side semiconductor layer 3n is a single layer or a multilayer, and may have an undoped layer, and has one or more n-type layers doped with n-type impurities, for example, Si. The active layer 3a has a laminated structure in which quantum well layers made of InGaN and barrier layers made of GaN are alternately laminated. The number of layers can be appropriately set according to the desired characteristics. The p-side semiconductor layer 3p can have a p-side light spacer layer and a p-side contact layer disposed thereon. The p-side contact layer is a layer doped with p-type impurities, for example, Mg. The p-side light spacer layer can be an undoped layer or a layer doped with p-type impurities at a lower concentration than the p-side contact layer. In this case, the p-side contact layer is the top layer of the p-side semiconductor layer 3p.
The thicknesses of the n-side semiconductor layer 3n, the active layer 3a, and the p-side semiconductor layer 3p can be set appropriately. The total thickness from the upper surface of the first light reflecting film 10 to the lower surface of the second light reflecting film 6 described later is set to an integer multiple of λ c /(2n) so that a standing wave is generated therebetween. The strongest part of the standing wave is located in the active layer 3a, and the weakest part of the standing wave is located in the light-transmitting p-side electrode 4 described later.
The p-side semiconductor layer 3p may have an upper surface in contact with the p-side electrode 4. In particular, the p-side semiconductor layer 3p is preferably disposed between the active layer 3a and a second light reflecting film 6 described later.

窒化物半導体層の積層体3は、p側半導体層3pの上面に凸部3xを有する。この凸部3xの上面が電流注入領域として機能する。電流注入領域の直下が発光部となる。凸部3xの平面視形状は、円形、楕円形、多角形等の形状が挙げられ、なかでも円形であるものが好ましい。凸部3xの上面の大きさは、例えば、直径又は一辺の長さが2μm~12μmが挙げられる。 The nitride semiconductor layer stack 3 has a protrusion 3x on the upper surface of the p-side semiconductor layer 3p. The upper surface of this protrusion 3x functions as a current injection region. The area directly below the current injection region becomes the light emitting area. The shape of the protrusion 3x in plan view can be a circle, an ellipse, a polygon, or the like, with a circle being preferable. The size of the upper surface of the protrusion 3x can be, for example, a diameter or a side length of 2 μm to 12 μm.

窒化物半導体層の積層体3は、凸部3xの周囲の表面、つまりp側半導体層3pの側において、p側半導体層3p、活性層3a及びn側半導体層3nの一部が厚み方向に除去されて、n側半導体層3nが一部露出していることが好ましい。これにより、レーザ素子に電流を供給するp側電極4及びn側電極5nを積層体3の同一面側に配置することができる。 In the nitride semiconductor layer stack 3, it is preferable that the p-side semiconductor layer 3p, the active layer 3a, and the n-side semiconductor layer 3n are partially removed in the thickness direction on the surface around the protrusion 3x, that is, on the side of the p-side semiconductor layer 3p, so that the n-side semiconductor layer 3n is partially exposed. This allows the p-side electrode 4 and the n-side electrode 5n that supply current to the laser element to be arranged on the same side of the stack 3.

(第2光反射膜6)
第2光反射膜6は、窒化物半導体層の積層体3の表面に凸部3xが形成されている場合には、例えば、図1Bに示すように、凸部3xの上面から凸部3xの周囲の表面の少なくとも一部に配置することができる。また、凸部が形成されていない場合には、窒化物半導体層の積層体3の一部を露出する絶縁膜を形成し、その露出した窒化物半導体層の積層体3の上方を覆うように第2光反射膜6を形成してもよい。
第2光反射膜6は、上述した第1光反射膜10と同様の構成としてもよいし、例えば、誘電体多層膜を含む構成としてもよい。誘電体多層膜としては、例えば、SiO/Nb、SiO/Ta、SiO/Al等が挙げられる。各層の厚さはλ/(4n)である。第2光反射膜6の積層数及び厚みは、誘電体多層膜の組み合わせにより適宜設定することができる。具体的には、第2光反射膜6を、SiO/Nb等によって構成する場合、各層は、40nm~100nmが挙げられる。積層膜の積層数は、2層以上が挙げられ、例えば5層~20層とすることができる。第2光反射膜6の全体の厚みは、例えば、0.08μm~2.0μmが挙げられ、0.6μm~1.7μmとすることができる。
(Second light reflecting film 6)
1B , in the case where a convex portion 3x is formed on the surface of the nitride semiconductor layer stack 3, the second light reflecting film 6 can be disposed on at least a part of the surface surrounding the convex portion 3x from the upper surface of the convex portion 3x. In addition, in the case where no convex portion is formed, an insulating film that exposes a part of the nitride semiconductor layer stack 3 may be formed, and the second light reflecting film 6 may be formed so as to cover the upper part of the exposed nitride semiconductor layer stack 3.
The second light reflecting film 6 may have the same configuration as the first light reflecting film 10 described above, or may have a configuration including, for example, a dielectric multilayer film. Examples of the dielectric multilayer film include SiO 2 /Nb 2 O 5 , SiO 2 /Ta 2 O 5 , and SiO 2 /Al 2 O 3. The thickness of each layer is λ c /(4n). The number of layers and the thickness of the second light reflecting film 6 can be appropriately set depending on the combination of the dielectric multilayer films. Specifically, when the second light reflecting film 6 is made of SiO 2 /Nb 2 O 5 or the like, each layer has a thickness of 40 nm to 100 nm. The number of layers of the laminated film can be 2 or more, for example, 5 to 20 layers. The total thickness of the second light reflecting film 6 can be, for example, 0.08 μm to 2.0 μm, and can be 0.6 μm to 1.7 μm.

本開示の垂直共振器面発光レーザ素子は、さらに、基板16、下地層9、p側電極4、n側電極5n、絶縁膜7を備えることができる。
このような垂直共振器面発光レーザ素子8は、また、接合層13及び金属膜15を有する放熱基板17に接合され、基板16側を発光面とするように構成されていることが好ましい。これにより、第2光反射膜6側を発光面とする場合より、より高い光出力を得られる場合がある。
The vertical cavity surface emitting laser element of the present disclosure may further include a substrate 16 , an underlayer 9 , a p-side electrode 4 , an n-side electrode 5 n , and an insulating film 7 .
The vertical cavity surface emitting laser element 8 is preferably bonded to a heat dissipation substrate 17 having a bonding layer 13 and a metal film 15, and configured so that the substrate 16 side serves as the light emitting surface. This may result in a higher optical output than when the second light reflecting film 6 side serves as the light emitting surface.

(基板16及び下地層9)
第1光反射膜10は、基板16の上方に設けられていてもよい。いいかえると、基板16は第1光反射膜10の下方に設けられていてよい。また、第1光反射膜10は、基板16の上に、任意に下地層9を介して形成されていることが好ましい。下地層9を介して第1光反射膜10を形成することにより、より平坦な層とすることができる。基板16としては、垂直共振器面発光レーザ素子を構成し得る基板であれば、当該分野で公知のものを利用することができる。
例えば、半導体層成長用の基板、具体的には、窒化物半導体(GaN等)、サファイア、SiC、Si等の基板が挙げられる。なかでも、窒化物半導体が好ましく、GaN基板がより好ましい。半導体成長用基板としてGaN基板を用いることで、より転位の少ない半導体反射鏡とすることができる。また、下地層9は、これらの基板16及び第1光反射膜10との格子整合を考慮して選択することができ、例えば、GaN層が好ましい。
(Substrate 16 and Underlayer 9)
The first light reflecting film 10 may be provided above the substrate 16. In other words, the substrate 16 may be provided below the first light reflecting film 10. The first light reflecting film 10 is preferably formed on the substrate 16, optionally via an underlayer 9. By forming the first light reflecting film 10 via the underlayer 9, a flatter layer can be obtained. As the substrate 16, any substrate known in the art can be used as long as it is capable of forming a vertical cavity surface emitting laser element.
For example, a substrate for growing a semiconductor layer, specifically, a substrate such as a nitride semiconductor (GaN, etc.), sapphire, SiC, or Si, can be used. Among them, a nitride semiconductor is preferable, and a GaN substrate is more preferable. By using a GaN substrate as a substrate for growing a semiconductor, a semiconductor reflector with fewer dislocations can be obtained. In addition, the underlayer 9 can be selected in consideration of lattice matching with the substrate 16 and the first light reflecting film 10, and for example, a GaN layer is preferable.

基板16又は下地層9は、第1窒化物半導体層11を成長させる面が極性面以外の面であるものが挙げられ、例えば、{10-10}面、{10-12}面、{10-11}面、{11-22}面、{20-21}面、{20-2-1}面、{11-2-2}面、{11-23}面、{11-26}面、{10-1-1}面、{30-31}面、{30-3-1}面等が挙げられる。なかでも、基板16又は下地層9は、第1窒化物半導体層11を成長させる面がGaNの{20-21}面であるものが好ましい。また、これらの面に対して0~3°程度のオフ角を有するものであってもよい。{20-21}面の基板を採用することにより、この上に成長する第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層の主面が{20-21}面となりやすい。そして、このような面では、例えば、屈折率に異方性がある、つまり、入射する光に対して、互いに異なる第1の偏光方向と第2の偏光方向とで、異なる複数の屈折率を有するため、いずれかの屈折率に合わせて第1光反射膜を設計することができる。これにより、図3A及び図3Bに示すように、反射帯域をより広くすることができる。その結果、製造時のずれ等に対する許容度を向上することができ、歩留まりを向上させることができる。また、第1光反射膜の反射率の向上が可能となり、閾値電流を低減することが可能となる。
下地層9は、任意の厚みに設定することができる。例えば、100nm~3000nmが挙げられる。また、下地層9には、n型不純物をドーピングすることができるが、結晶性の点からはアンドープのものが好ましい。
The substrate 16 or the underlayer 9 may have a surface other than a polar surface on which the first nitride semiconductor layer 11 is grown, such as a {10-10} surface, a {10-12} surface, a {10-11} surface, a {11-22} surface, a {20-21} surface, a {20-2-1} surface, a {11-2-2} surface, a {11-23} surface, a {11-26} surface, a {10-1-1} surface, a {30-31} surface, a {30-3-1} surface, or the like. Of these, the substrate 16 or the underlayer 9 may preferably have a surface on which the first nitride semiconductor layer 11 is grown that is a {20-21} surface of GaN. The substrate 16 or the underlayer 9 may have an off-angle of about 0 to 3° with respect to these surfaces. By adopting a substrate having a {20-21} plane, the main surfaces of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer grown thereon tend to be the {20-21} plane. In addition, in such a plane, for example, the refractive index is anisotropic, that is, the incident light has a plurality of different refractive indices in the first polarization direction and the second polarization direction, which are different from each other, so that the first light reflecting film can be designed to match any one of the refractive indices. This makes it possible to broaden the reflection band as shown in FIG. 3A and FIG. 3B. As a result, it is possible to improve the tolerance for deviations during manufacturing, and to improve the yield. In addition, it is possible to improve the reflectance of the first light reflecting film, and it is possible to reduce the threshold current.
The underlayer 9 can be set to any thickness, for example, 100 nm to 3000 nm. The underlayer 9 can be doped with an n-type impurity, but is preferably undoped in terms of crystallinity.

(p側電極4)
p側電極4は、窒化物半導体の積層体におけるp側半導体層3pの凸部3xから電流を注入するための電極であり、少なくとも凸部3xの上面に接触している電極である。p側電極4は、凸部3xの側面まで延長していてもよいし、凸部3xの周囲のp側半導体層3pの上面にまで延長していてもよい。
p側電極4は、レーザ発振する波長域に対して透光性の材料から形成される導電部材である。透光性の材料としては、ITO(インジウム-錫酸化物)、IZO(インジウム-亜鉛酸化物)等を母材とする透明導電材料が挙げられる。具体的にはITOが挙げられる。厚みは薄いほうが、p側電極4による光吸収を低減することができる一方、抵抗が上昇するため、これらのバランスを考慮して適宜調整することができる。p側電極4の厚みは、例えば、5nm~100nmが挙げられる。
(p-side electrode 4)
The p-side electrode 4 is an electrode for injecting a current from the protrusion 3x of the p-side semiconductor layer 3p in the nitride semiconductor stack, and is an electrode in contact with at least the upper surface of the protrusion 3x. The p-side electrode 4 may extend to the side surface of the protrusion 3x, or may extend to the upper surface of the p-side semiconductor layer 3p around the protrusion 3x.
The p-side electrode 4 is a conductive member made of a material that is transparent to the wavelength region of laser oscillation. Examples of the transparent material include transparent conductive materials with a base material such as ITO (indium tin oxide) and IZO (indium zinc oxide). A specific example is ITO. A thinner thickness can reduce light absorption by the p-side electrode 4, but also increases resistance, so the thickness can be appropriately adjusted taking into account the balance between these two. The thickness of the p-side electrode 4 is, for example, 5 nm to 100 nm.

(絶縁膜7)
絶縁膜7は、凸部3xの上面と離間して配置される。絶縁膜7は、少なくともp側半導体層3pの凸部3xの周囲の表面の一部を被覆する。絶縁膜7は、p側半導体層3pのみならず、活性層3aの側面と、露出したn側半導体層3nの上面の一部を被覆してもよいし、さらに積層体3の側面を被覆してもよい。
絶縁膜7は、SiO2、Ta、ZrO、Al、Ga等の無機材料等によって形成することができる。
(Insulating film 7)
The insulating film 7 is disposed at a distance from the upper surface of the protruding portion 3x. The insulating film 7 covers at least a part of the surface of the p-side semiconductor layer 3p around the protruding portion 3x. The insulating film 7 may cover not only the p-side semiconductor layer 3p, but also the side surface of the active layer 3a and a part of the upper surface of the exposed n-side semiconductor layer 3n, and may further cover the side surface of the stack 3.
The insulating film 7 can be made of an inorganic material such as SiO2 , Ta2O5 , ZrO2 , Al2O3 , or Ga2O3 .

(n側電極5n、pパッド電極5p)
垂直共振器面発光レーザ素子8は、さらに、露出したn側半導体層3nに電気的に接続されたn側電極5nが配置されていることが好ましい。
p側半導体層3pの上に形成された透光性のp側電極4に加えて、p側電極4に電気的に接続されたpパッド電極5pが配置されていてもよい。
これらn側電極5n及びpパッド電極5pは、当該分野において通常電極として用いられる導電性材料のいずれによって形成してもよい。例えば、Ti/Pt/Au、Ti/Rh/Au等が挙げられる。
n側電極5n及びpパッド電極5pは、同じ又は異なる材料にて単層構造で形成されていてもよいし、同じ材料によって、同じ積層構造で形成されていてもよいし、異なる材料で異なる積層構造で形成されていてもよい。n側電極5n及びpパッド電極5pを同じ材料によって同じ積層構造で形成する場合、n側電極5n及びpパッド電極5pを同一工程で形成することができる。
(n-side electrode 5n, p-pad electrode 5p)
The vertical cavity surface emitting laser element 8 preferably further includes an n-side electrode 5n electrically connected to the exposed n-side semiconductor layer 3n.
In addition to the light-transmitting p-side electrode 4 formed on the p-side semiconductor layer 3p, a p-pad electrode 5p electrically connected to the p-side electrode 4 may be disposed.
The n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p may be made of any conductive material commonly used as an electrode in the art, such as Ti/Pt/Au or Ti/Rh/Au.
The n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p may be formed in a single layer structure using the same or different materials, may be formed in the same laminate structure using the same material, or may be formed in different laminate structures using different materials. When the n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p are formed in the same laminate structure using the same material, the n-side electrode 5n and the p-pad electrode 5p can be formed in the same process.

(放熱基板17)
垂直共振器面発光レーザ素子8は、図2に示すように、放熱基板17に接合されていてもよい。放熱基板17としては、AlN等のセラミックス、SiC等の半導体を含む半導体基板、金属単体基板又は2種以上の金属の複合体からなる金属基板等が挙げられる。例えば、絶縁性のAlNセラミックスを母材とし、その表面に複数の金属膜15が形成された基板を放熱基板17として用いることができる。金属膜15は、それぞれ、pパッド電極5p及びn側電極5nと電気的に接続される。放熱基板17の厚みは、例えば、50μm~500μm程度が挙げられる。
放熱基板17の形成方法は、当該分野で通常使用される方法を利用することができる。
接合層13は、例えば、上述したpパッド電極5p及びn側電極5n等と同様の材料のほか、半田等を用いることができる。
金属膜15は、上述したpパッド電極5p及びn側電極5n等と同様の材料によって形成することができる。
(Heat dissipation substrate 17)
The vertical cavity surface emitting laser element 8 may be bonded to a heat dissipation substrate 17 as shown in Fig. 2. Examples of the heat dissipation substrate 17 include ceramics such as AlN, semiconductor substrates including semiconductors such as SiC, metal substrates made of a single metal or a composite of two or more metals. For example, a substrate using insulating AlN ceramics as a base material and having a plurality of metal films 15 formed on the surface thereof can be used as the heat dissipation substrate 17. The metal films 15 are electrically connected to the p-pad electrode 5p and the n-side electrode 5n, respectively. The thickness of the heat dissipation substrate 17 is, for example, about 50 µm to 500 µm.
The heat dissipation substrate 17 can be formed by a method commonly used in the art.
The bonding layer 13 may be made of, for example, the same material as the p-pad electrode 5p and the n-side electrode 5n described above, or solder or the like.
The metal film 15 can be formed of the same material as the p-pad electrode 5p and the n-side electrode 5n described above.

(反射防止膜14)
垂直共振器面発光レーザ素子8は、第1光反射膜10側からレーザ光が出射されるが、第1光反射膜10の積層体3とは反対側の面、つまり、基板16の積層体3とは反対側の面に、反射防止膜14を配置していてもよい。反射防止膜14としては、上述した第2光反射膜6で例示した誘電体多層膜と同様の材料を用いることができる。積層数や各層の厚みを光反射膜とは異なるものとすることで反射防止機能を有する膜を形成することができる。例えば、SiO2/Nb25、SiO2/Ta25、SiO2/Al23等が挙げられる。その厚みは、例えば、0.1μm~1μmが挙げられる。
(Anti-reflection film 14)
The vertical cavity surface emitting laser element 8 emits laser light from the first light reflecting film 10 side, but an anti-reflection film 14 may be disposed on the surface of the first light reflecting film 10 opposite to the laminate 3, that is, the surface of the substrate 16 opposite to the laminate 3. The anti-reflection film 14 may be made of the same material as the dielectric multilayer film exemplified in the second light reflecting film 6 described above. By making the number of layers and the thickness of each layer different from that of the light reflecting film, a film having an anti-reflection function can be formed. For example, SiO 2 /Nb 2 O 5 , SiO 2 /Ta 2 O 5 , SiO 2 /Al 2 O 3 , etc. may be mentioned. The thickness may be, for example, 0.1 μm to 1 μm.

〔垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法〕
本開示の垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法においては、基板の上に、第1光反射膜を成長させ、第1光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、積層体の上に、第2光反射膜を成長させることを含む。
(第1光反射膜10の成長)
第1光反射膜10は、第1窒化物半導体層11を成長させる工程と、第2窒化物半導体層12を成長させる工程とを有する。これら第1窒化物半導体層11を成長させる工程及び第2窒化物半導体層12を成長させる工程は、交互に繰り返し行う。上述したように、第1光反射膜10は、例えば、基板16又は下地層9の直上に、第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層12のいずれが形成されてもよい。例えば、第1窒化物半導体層11が、第1光反射膜10における最下層となる場合には、基板16又は下地層9の上に第1窒化物半導体層11を成長させ、その上に、第2窒化物半導体層12を成長させることが好ましい。また、それよりも上の層では、第1窒化物半導体層11の上に成長した第2窒化物半導体層12上に、第1窒化物半導体層11を成長させることが好ましい。あるいは、第2窒化物半導体層12が、第1光反射膜10における最下層となる場合には、基板16又は下地層9の上に第2窒化物半導体層12を成長させ、その上に、第1窒化物半導体層11を成長させることが好ましい。また、それよりも上の層では、第2窒化物半導体層12の上に成長した第1窒化物半導体層11上に、第2窒化物半導体層12を成長させることが好ましい。第1窒化物半導体層11を成長させる工程と、第2窒化物半導体層12を成長させる工程との交互の繰り返しは、用いる材料、目的とする性能等によって、任意にその回数を設定することができる。例えば、交互の繰り返しは、5回~100回行うことが挙げられ、20回~80回が好ましく、30回~70回がより好ましい。言い換えると、第1窒化物半導体層11と第2窒化物半導体層12とのペアを、それぞれ5ペア~100ペアとすることが好ましく、20ペア~80ペアとすることがより好ましく、30ペア~70ペアとすることがさらに好ましい。この範囲内のペア数とすることにより、制御性を保ちながら、より反射率を高くすることができる。これにより、窒化物半導体多層膜を形成して、第1光反射膜10を形成することができる。
[Method of Manufacturing Vertical Cavity Surface Emitting Laser Device]
The method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser element according to the present disclosure includes growing a first optical reflecting film on a substrate, growing a nitride semiconductor stack including an active layer on the first optical reflecting film, and growing a second optical reflecting film on the stack.
(Growth of the First Light Reflecting Film 10)
The first light reflecting film 10 includes a step of growing a first nitride semiconductor layer 11 and a step of growing a second nitride semiconductor layer 12. The step of growing the first nitride semiconductor layer 11 and the step of growing the second nitride semiconductor layer 12 are alternately repeated. As described above, the first light reflecting film 10 may have either the first nitride semiconductor layer 11 or the second nitride semiconductor layer 12 formed directly on the substrate 16 or the underlayer 9. For example, when the first nitride semiconductor layer 11 is the bottom layer in the first light reflecting film 10, it is preferable to grow the first nitride semiconductor layer 11 on the substrate 16 or the underlayer 9, and grow the second nitride semiconductor layer 12 thereon. In addition, in the layer above that, it is preferable to grow the first nitride semiconductor layer 11 on the second nitride semiconductor layer 12 grown on the first nitride semiconductor layer 11. Alternatively, when the second nitride semiconductor layer 12 is the bottom layer in the first light reflecting film 10, it is preferable to grow the second nitride semiconductor layer 12 on the substrate 16 or the underlayer 9, and grow the first nitride semiconductor layer 11 thereon. In the layer above that, it is preferable to grow the second nitride semiconductor layer 12 on the first nitride semiconductor layer 11 grown on the second nitride semiconductor layer 12. The number of times that the step of growing the first nitride semiconductor layer 11 and the step of growing the second nitride semiconductor layer 12 are alternately repeated can be set arbitrarily depending on the material used, the desired performance, and the like. For example, the alternating repetition may be performed 5 to 100 times, preferably 20 to 80 times, and more preferably 30 to 70 times. In other words, the number of pairs of the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12 is preferably 5 to 100 pairs, more preferably 20 to 80 pairs, and even more preferably 30 to 70 pairs. By setting the number of pairs within this range, it is possible to increase the reflectance while maintaining controllability. In this way, a nitride semiconductor multilayer film can be formed to form the first light reflecting film 10.

(第1窒化物半導体層11を成長させる工程)
第1窒化物半導体層11は、例えば、アルミニウム及びインジウムを含むIII族窒化物半導体からなる層として形成することができる。このような半導体としては、AlX2InY2Ga1-X2-Y2N(0<X2、0<Y2、X2+Y2≦1)が挙げられ、具体的には、AlInGaN、AlInN等が挙げられる。なかでも、AlInN層が好ましい。
第1窒化物半導体層11は、当該分野で公知の方法、例えば、MOCVD法(有機金属気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシャル成長法)等によって成長させることができる。なかでも、厚みの制御のしやすさや成長時間の点からMOCVD法が好ましい。いずれの方法を利用する場合においても、第1窒化物半導体層11は常圧で成長させてもよいが、減圧して成長させてもよい。
例えば、MOCVD装置の反応炉内に、任意に下地層9が形成された基板16をセットし、基板温度を、例えば、700℃~1050℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガスとを反応炉内に流す。これにより、例えば、アルミニウム及びインジウムを含むIII族窒化物半導体からなる第1窒化物半導体層11を形成することができる。キャリアガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。原料ガスとしては、例えば、窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。アルミニウム源ガスとしては、TMA(トリメチルアルミニウム)等のトリアルキルアルミニウム、塩化アルミニウム等が挙げられ、インジウム源ガスとしては、TMI(トリメチルインジウム)等のトリアルキルインジウム等が挙げられる。窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。なお、AlInGaNを成長させる際には、ガリウム源ガスを導入してもよい。また、第1窒化物半導体層11の形成において、第1窒化物半導体層11を成長させる表面が、基板又は下地層(例えば、GaN)の(20-21)面であることが好ましい。
第1窒化物半導体層11の厚みLは、上述したように、式(1)によって算出することができ、それに基づいて設定することができる。例えば、30nm~80nmが挙げられる。また、第1窒化物半導体層11には、n型不純物をドーピングすることができるが、結晶性及び反射率の点からはアンドープのものが好ましい。例えば、n型不純物がSiである場合、n型不純物濃度は、0.5~10×1018cm-3とすることができる。
(Step of Growing First Nitride Semiconductor Layer 11)
The first nitride semiconductor layer 11 can be formed as a layer made of, for example, a Group III nitride semiconductor containing aluminum and indium. Examples of such a semiconductor include Al.sub.X2In.sub.Y2Ga.sub.1 -X2-Y2N ( 0<X2, 0<Y2, X2+Y2.ltoreq.1), and more specifically, AlInGaN, AlInN, etc. Among them, an AlInN layer is preferable.
The first nitride semiconductor layer 11 can be grown by a method known in the art, such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor phase epitaxy), MBE (molecular beam epitaxy), etc. Among these, the MOCVD method is preferred in terms of ease of thickness control and growth time. In any case where any method is used, the first nitride semiconductor layer 11 may be grown at normal pressure or at reduced pressure.
For example, the substrate 16 on which the underlayer 9 is formed is set in a reactor of an MOCVD apparatus, the substrate temperature is raised to, for example, 700° C. to 1050° C., and a carrier gas and a source gas are flowed into the reactor. This allows the formation of a first nitride semiconductor layer 11 made of a group III nitride semiconductor containing, for example, aluminum and indium. Examples of the carrier gas include hydrogen gas, nitrogen gas, and argon gas. Examples of the source gas include ammonia and nitrogen as a source gas for nitrogen. Examples of the aluminum source gas include trialkylaluminum such as TMA (trimethylaluminum), aluminum chloride, and the like, and examples of the indium source gas include trialkylindium such as TMI (trimethylindium). Examples of the nitrogen source gas include ammonia, nitrogen, and the like. Note that when growing AlInGaN, a gallium source gas may be introduced. In addition, in forming the first nitride semiconductor layer 11, the surface on which the first nitride semiconductor layer 11 is grown is preferably the (20-21) plane of the substrate or underlayer (for example, GaN).
The thickness L1 of the first nitride semiconductor layer 11 can be calculated by the formula (1) as described above, and can be set based on the calculated thickness. For example, the thickness can be 30 nm to 80 nm. The first nitride semiconductor layer 11 can be doped with an n-type impurity, but is preferably undoped in terms of crystallinity and reflectance. For example, when the n-type impurity is Si, the n-type impurity concentration can be 0.5 to 10×10 18 cm −3 .

なお、第1窒化物半導体層11は、第2窒化物半導体層12が形成された基板16上に形成してもよい。 The first nitride semiconductor layer 11 may be formed on the substrate 16 on which the second nitride semiconductor layer 12 is formed.

(第2窒化物半導体層12を成長させる工程)
第2窒化物半導体層12は、例えば、GaNからなる層として形成することができる。第2窒化物半導体層12を成長させる工程は、第1窒化物半導体層11を成長させる工程と同様に行うことができる。
例えば、MOCVD装置の反応炉内に、任意に下地層9が形成された基板16をセットする。この基板16は、上述した第1窒化物半導体層11が下地層9の上に形成されているものが好ましい。その後、基板温度を、例えば、700℃~1050℃に昇温し、キャリアガスと、原料ガス(TEG及びアンモニア)とを反応炉内に流す。キャリアガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。原料ガスとしては、例えば、ガリウムの原料ガスとして、TMG(トリメチルガリウム)、TEG(トリエチルガリウム)等のトリアルキルガリウム等が挙げられる。窒素の原料ガスとして、アンモニア、窒素等が挙げられる。これにより、例えば、GaNからなる第2窒化物半導体層12を形成することができる。第2窒化物半導体層12の成長速度は、成長中、変動してもよいが、一定であることが好ましい。
ここでの第2窒化物半導体層12の厚みLは、上述したように、式(2)によって算出することができ、それに基づいて設定することができる。例えば、30nm~80nmが挙げられる。従って、第1光反射膜10を構成する窒化物半導体多層膜の総厚みは、例えば、500nm~10000nmが挙げられ、2000nm~8000nmが好ましく、3000nm~7000nmがより好ましい。また、第2窒化物半導体層12には、n型不純物をドーピングすることができるが、アンドープのものが好ましい。例えば、n型不純物がSiである場合、n型不純物濃度は、0.5~10×1018cm-3とすることができる。
(Step of Growing Second Nitride Semiconductor Layer 12)
The second nitride semiconductor layer 12 can be formed as, for example, a layer made of GaN. The step of growing the second nitride semiconductor layer 12 can be performed in the same manner as the step of growing the first nitride semiconductor layer 11.
For example, the substrate 16 on which the underlayer 9 is formed is set in the reactor of the MOCVD apparatus. The substrate 16 is preferably one on which the above-mentioned first nitride semiconductor layer 11 is formed on the underlayer 9. Thereafter, the substrate temperature is raised to, for example, 700° C. to 1050° C., and the carrier gas and the source gas (TEG and ammonia) are flowed into the reactor. Examples of the carrier gas include hydrogen gas, nitrogen gas, and argon gas. Examples of the source gas include trialkylgallium such as TMG (trimethylgallium) and TEG (triethylgallium) as a source gas for gallium. Examples of the source gas for nitrogen include ammonia and nitrogen. This allows the second nitride semiconductor layer 12 made of, for example, GaN to be formed. The growth rate of the second nitride semiconductor layer 12 may vary during the growth, but is preferably constant.
The thickness L2 of the second nitride semiconductor layer 12 here can be calculated by the formula (2) as described above, and can be set based on it. For example, it can be 30 nm to 80 nm. Therefore, the total thickness of the nitride semiconductor multilayer film constituting the first light reflecting film 10 can be, for example, 500 nm to 10000 nm, preferably 2000 nm to 8000 nm, and more preferably 3000 nm to 7000 nm. In addition, the second nitride semiconductor layer 12 can be doped with an n-type impurity, but is preferably undoped. For example, when the n-type impurity is Si, the n-type impurity concentration can be 0.5 to 10×10 18 cm −3 .

(窒化物半導体の積層体の成長)
第1光反射膜10の上面に、活性層3aを有する窒化物半導体の積層体3を形成する。
窒化物半導体層の積層体3では、第1光反射膜10側から、n側半導体層3n、活性層3a、p側半導体層3pをこの順に形成することが好ましい。窒化物半導体層の積層体3は、当該分野で公知の方法を利用して形成することができる。
窒化物半導体層の積層体3は、その表面、つまり、第1光反射膜10が配置された側とは反対側の表面に、凸部3xを形成してもよい。凸部3xは、フォトリソグラフィ及びエッチング等を利用して、形成することができる。
(Growth of nitride semiconductor stack)
On the upper surface of the first light reflecting film 10, a laminate 3 of nitride semiconductors having an active layer 3a is formed.
In the nitride semiconductor layer stack 3, it is preferable to form the n-side semiconductor layer 3n, the active layer 3a, and the p-side semiconductor layer 3p in this order from the first light reflecting film 10 side. The nitride semiconductor layer stack 3 can be formed by utilizing a method known in the art.
The nitride semiconductor layer stack 3 may have a protrusion 3x formed on its surface, that is, the surface opposite to the side on which the first light reflecting film 10 is disposed. The protrusion 3x can be formed by using photolithography, etching, or the like.

(第2光反射膜の形成)
第2光反射膜6は、窒化物半導体層の積層体3の表面に凸部3xが形成されている場合には、例えば、図1Bに示すように、凸部3xの上面から凸部3xの周囲の表面の少なくとも一部に配置することができる。また、凸部3xが形成されていない場合には、窒化物半導体層の積層体3の一部を露出する絶縁膜を形成し、その露出した窒化物半導体層の積層体3の上方を覆うように第2光反射膜6を形成することができる。
第2光反射膜6は、上述した第1光反射膜10と同様の構成としてもよいし、例えば、誘電体多層膜を含んだ構成としてもよい。誘電体多層膜としては、例えば、SiO/Nb、SiO/Ta、SiO/Al等が挙げられる。各層の厚さはλ/4nである。第2光反射膜6の積層数や厚みは、誘電体多層膜の組み合わせにより適宜設定することができる。具体的には、第2光反射膜6を、SiO/Nb等によって構成する場合、各層は、40nm~100nmが挙げられる。積層膜の積層数は、2層以上が挙げられ、例えば5層~20層とすることができる。第2光反射膜6の全体の厚みは、例えば、0.08μm~2.0μmが挙げられ、0.6μm~1.7μmとすることができる。
(Formation of the second light reflecting film)
1B , in the case where a convex portion 3x is formed on the surface of the nitride semiconductor layer stack 3, the second light reflecting film 6 can be disposed on at least a part of the surface surrounding the convex portion 3x from the upper surface of the convex portion 3x. In the case where no convex portion 3x is formed, an insulating film that exposes a part of the nitride semiconductor layer stack 3 can be formed, and the second light reflecting film 6 can be formed so as to cover the upper part of the exposed nitride semiconductor layer stack 3.
The second light reflecting film 6 may have the same configuration as the first light reflecting film 10 described above, or may have a configuration including, for example, a dielectric multilayer film. Examples of the dielectric multilayer film include SiO 2 /Nb 2 O 5 , SiO 2 /Ta 2 O 5 , and SiO 2 /Al 2 O 3. The thickness of each layer is λ c /4n. The number of layers and the thickness of the second light reflecting film 6 can be appropriately set depending on the combination of the dielectric multilayer films. Specifically, when the second light reflecting film 6 is made of SiO 2 /Nb 2 O 5 or the like, each layer has a thickness of 40 nm to 100 nm. The number of layers of the laminated film can be 2 or more, for example, 5 to 20 layers. The total thickness of the second light reflecting film 6 can be, for example, 0.08 μm to 2.0 μm, and can be 0.6 μm to 1.7 μm.

試験例1
主面が(20-21)面である基板16の上に下地層9としてGaN層を形成し、その上に第1光反射膜10とを形成した。
第1光反射膜10は、上述した式(1)及び式(2)から、波長500nmの[-12-10]方向の偏光に対して厚みを設計し、第1窒化物半導体層11としてAl0.8In0.2N層(厚み:56.7nm、n=2.2049)、第2窒化物半導体層としてGaN層(厚み:52.1nm、n=2.4015)を50ペア積層した多層膜とした。
作製した第1光反射膜について、それぞれの偏光に対して分光光度計で反射スペクトルを測定した。結果を図3Aおよび図3Bに示す。図3Bに示すように、第1光反射膜は499nmから505nm付近の[-12-10]方向の偏光に対して98%以上の反射率を示し、特に504nm付近の[-12-10]方向の偏光に対して99%以上の反射率を示すことが確認された。
Test Example 1
A GaN layer was formed as an underlayer 9 on a substrate 16 whose main surface was a (20-21) plane, and a first light reflecting film 10 was formed thereon.
The thickness of the first light reflecting film 10 was designed based on the above-mentioned formulas (1) and (2) for polarized light in the [-12-10] direction with a wavelength of 500 nm, and the first light reflecting film 10 was a multilayer film in which 50 pairs of Al0.8In0.2N layers (thickness: 56.7 nm, n1 = 2.2049) were stacked as the first nitride semiconductor layer 11 and 50 pairs of GaN layers (thickness: 52.1 nm, n2 = 2.4015) were stacked as the second nitride semiconductor layer.
The reflection spectrum of the prepared first light reflecting film was measured for each polarized light using a spectrophotometer. The results are shown in Figures 3A and 3B. As shown in Figure 3B, it was confirmed that the first light reflecting film exhibited a reflectance of 98% or more for polarized light in the [-12-10] direction around 499 nm to 505 nm, and in particular, a reflectance of 99% or more for polarized light in the [-12-10] direction around 504 nm.

3 積層体
3a 活性層
3n n側半導体層
3p p側半導体層
3x 凸部
4 p側電極
5n n側電極
5p pパッド電極
6 第2光反射膜
7 絶縁膜
8 垂直共振器面発光レーザ素子
9 下地層
10 第1光反射膜
11 第1窒化物半導体層
11a 主面
12 第2窒化物半導体層
12a 主面
13 接合層
14 反射防止膜
15 金属膜
16 基板
17 放熱基板

Description of the Reference Signs 3 Stacked body 3a Active layer 3n n-side semiconductor layer 3p p-side semiconductor layer 3x Convex portion 4 p-side electrode 5n n-side electrode 5p p-pad electrode 6 Second optical reflection film 7 Insulating film 8 Vertical cavity surface emitting laser element 9 Underlayer 10 First optical reflection film 11 First nitride semiconductor layer 11a Main surface 12 Second nitride semiconductor layer 12a Main surface 13 Bonding layer 14 Anti-reflection film 15 Metal film 16 Substrate 17 Heat dissipation substrate

Claims (8)

第1窒化物半導体層と、該第1窒化物半導体層とは組成の異なる第2窒化物半導体層とを含み、前記第1窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がn1であり、以下の式(1)で表される厚みL1を有し、かつ前記第2窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第1の偏光方向と前記第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がn2であり、以下の式(2)で表される厚みL2を有する、第1光反射膜と、
前記第1光反射膜の上に配置され、活性層を有する窒化物半導体の積層体と、
前記積層体の上方に配置された第2光反射膜とを備える垂直共振器面発光レーザ素子。
1=λc/(4・n1) (1)
2=λc/(4・n2) (2)
(式中、λcは共振波長を示す。)
a first light reflecting film including a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer having a different composition from the first nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer having a plurality of refractive indexes that differ between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n1 , and having a thickness L1 represented by the following formula (1); and the second nitride semiconductor layer having a plurality of refractive indexes that differ between the first polarization direction and the second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n2 , and having a thickness L2 represented by the following formula (2);
a nitride semiconductor layer disposed on the first light reflecting film and having an active layer;
and a second optical reflection film disposed above the laminate.
L 1c /(4・n 1 ) (1)
L 2c /(4・n 2 ) (2)
(In the formula, λ c represents the resonance wavelength.)
前記第1窒化物半導体層及び前記第2窒化物半導体層は、主面が(20-21)面であり、前記第1の偏光方向が[-12-10]方向であり、前記第2の偏光方向が[-12-10]方向以外の偏光方向であり、
前記第1光反射膜の下方に設けられた基板を備え、前記基板の主面が(20-21)面である請求項1に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。
the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have a primary surface which is a (20-21) plane, the first polarization direction which is a [-12-10] direction, and the second polarization direction which is a polarization direction other than the [-12-10] direction;
2. The vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1, further comprising a substrate provided below said first light reflecting film, said substrate having a main surface which is a (20-21) plane .
前記第1窒化物半導体層がAlInN層、前記第2窒化物半導体層がGaN層である請求項1又は2に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。 The vertical cavity surface emitting laser element according to claim 1 or 2, wherein the first nitride semiconductor layer is an AlInN layer, and the second nitride semiconductor layer is a GaN layer. 共振波長における前記第1の偏光方向の光に対する前記第1光反射膜の反射率が、98%以上である請求項3に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。 The vertical cavity surface emitting laser element according to claim 3, wherein the reflectance of the first light reflecting film for light in the first polarization direction at the resonant wavelength is 98% or more. 前記窒化物半導体の積層体は、前記活性層と前記第1光反射膜との間に配置されたn側半導体層と、前記活性層と前記第2光反射膜との間に配置されたp側半導体層とを有する請求項1~4のいずれか1項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。 The vertical cavity surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 4, wherein the nitride semiconductor stack has an n-side semiconductor layer disposed between the active layer and the first optical reflection film, and a p-side semiconductor layer disposed between the active layer and the second optical reflection film. 前記第2光反射膜は、誘電体多層膜を含む請求項1~5のいずれか1項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。 The vertical cavity surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5, wherein the second light reflecting film includes a dielectric multilayer film. 前記第1窒化物半導体層と、前記第2窒化物半導体層とは、交互に繰り返し積層されており、繰り返しの回数は、30回以上70回以下である請求項1~6のいずれか1項に記載の垂直共振器面発光レーザ素子。 The vertical cavity surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 6, wherein the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are alternately and repeatedly stacked, and the number of repetitions is 30 times or more and 70 times or less . 基板の上に、第1光反射膜を成長させ、
該第1光反射膜の上に、活性層を含む窒化物半導体の積層体を成長させ、
該積層体の上に、第2光反射膜を成長させることを含む垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法であって、
前記第1光反射膜を、
第1窒化物半導体層と、該第1窒化物半導体層とは組成の異なる第2窒化物半導体層とを含む、2種以上の単結晶の窒化物半導体層の積層により形成し、
前記第1窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、第1の偏光方向と第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がn1であり、以下の式(1)で表される厚みL1を有し、かつ前記第2窒化物半導体層は、主面に入射する光に対して、前記第1の偏光方向と前記第2の偏光方向とで異なる複数の屈折率を有し、前記第1の偏光方向に対する屈折率がn2であり、以下の式(2)で表される厚みL2を有する膜とする垂直共振器面発光レーザ素子の製造方法。
1=λc/(4・n1) (1)
2=λc/(4・n2) (2)
(式中、λcは共振波長を示す。)
growing a first light-reflecting film on the substrate;
growing a nitride semiconductor layer including an active layer on the first light reflecting film;
a second optical reflecting film is grown on the laminate,
The first light reflecting film,
The semiconductor device is formed by laminating two or more types of single crystal nitride semiconductor layers, including a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer having a different composition from the first nitride semiconductor layer;
the first nitride semiconductor layer has a plurality of refractive indexes that differ between a first polarization direction and a second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n1 , and has a thickness L1 expressed by the following formula (1); and the second nitride semiconductor layer has a plurality of refractive indexes that differ between the first polarization direction and the second polarization direction for light incident on a primary surface, the refractive index for the first polarization direction being n2 , and is a film having a thickness L2 expressed by the following formula (2).
L 1c /(4・n 1 ) (1)
L 2c /(4・n 2 ) (2)
(In the formula, λ c represents the resonance wavelength.)
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