CN115868090A - 光子晶体面发射激光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明具有：第一半导体层，其嵌入具有气孔的光子晶体层而形成，该气孔具有二维周期性地配置在与光子晶体层平行的面内的形成区域内；有源层，其形成在第一半导体层上；第二半导体层，其形成在有源层上；以及台面形状的台面部，其形成于第二半导体层的表面。台面部在从垂直于光子晶体层的方向观察时形成在气孔的形成区域的内侧。

Description

光子晶体面发射激光元件
技术领域
本发明涉及一种光子晶体面发射激光元件。
背景技术
近年来，正在推进使用光子晶体(PC：Photonic-Crystal)的光子晶体面发射激光器(Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser)的开发。
例如，在非专利文献1中公开了一种光子晶体激光器的面内衍射效应和阈值增益差，在非专利文献2中公开了一种方形晶格光子晶体激光器的三维耦合波模型。
另外，已知一种光子晶体面发射激光器，其具有将不同尺寸的多个气孔配置于晶格点而构成的多重晶格光子晶体。
例如，在专利文献1中记载了一种二维光子晶体面发射激光光源，其具有二维光子晶体，该二维光子晶体在板状母材内周期性地配置有多个异折射率区域集合体，该异折射率区域集合体由折射率不同于该母材的多个区域构成且该区域中至少两个的厚度彼此不同。
另外，在非专利文献3中公开了通过使光子晶体的气孔尺寸、晶格常数发生变化，来抑制导致光束品质劣化的多模振荡。
然而，光子晶体具有非常小的气孔，因此难以使气孔的尺寸、晶格常数精度良好地进行制造。
在这样的二维光子晶体面发射激光元件中，重要的是实现一种抑制高阶模振荡、维持基模且在高电流注入时也稳定且光束品质高的激光元件。
[现有技术文献]
专利文献
专利文献1：日本专利第4294023号公报
非专利文献
非专利文献1：田中等，2016年秋季应用物理学会预印本集15p-B4-20
非专利文献2：Y.Liang等：Phys.Rev.B Vol.84(2011)195119
非专利文献3：M.Yoshida等，Proceedings of the IEEE(2019)。“ExperimentalInvestigation of Lasing Modes in Double-Lattice Photonic-Crystal Resonatorsand Introduction of In-Plane Heterostructures。”
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的在于实现一种在光子晶体面发射激光器中抑制高阶模振荡、维持基模直至高电流注入时为止、稳定且光束品质高的激光元件。
用于解决课题的手段
本发明的一个实施方式的面发射激光元件，是具有光子晶体层的光子晶体面发射激光元件，其具有：
第一半导体层，其嵌入具有气孔的光子晶体层而形成，该气孔具有二维周期性地配置在与光子晶体层平行的面内的形成区域内；
有源层，其形成在所述第一半导体层上；
第二半导体层，其形成在所述有源层上；以及
台面形状的台面部，其形成于所述第二半导体层的表面，
所述台面部在从垂直于所述光子晶体层的方向观察时形成在所述气孔的所述形成区域的内侧。
附图说明
图1A是示意性地示出实施例1的光子晶体激光元件(PCSEL元件)10的结构的一个示例的截面图。
图1B是示意性地示出图1A中的光子晶体层14P和在光子晶体层14P中排列的气孔对14K的放大截面图。
图2A是示意性地示出光子晶体激光器10的上表面的平面图。
图2B是示意性地示出光子晶体层14P的与n-引导层14平行的面(图1B、A-A截面)处的截面的截面图。
图2C是示意性地示出光子晶体激光器10的底面的平面图。
图3是示意性地示出用于在面内二维排列成方形晶格状而形成主开口K1和副开口K2的蚀刻图案的俯视图。
图4是示出本实施例的光子晶体层14P的气孔形状的SEM图像。
图5是示意性地示出比较例1的PCSEL元件90的截面图。
图6A是示出实施例1的PCSEL元件10的远场图形的图。
图6B是示出比较例1的PCSEL元件90的远场图形的图。
图7是对实施例1和比较例1的情况进行比较而示意性地示出相对于空间位置的振荡模式频率的图。
图8是示意性地示出实施例2的PCSEL元件20的结构的一个示例的截面图。
图9是示意性地示出实施例3的PCSEL元件30的结构的一个示例的截面图。
图10是示意性地示出实施例4的PCSEL元件40的结构的一个示例的截面图。
具体实施方式
以下，对本发明的优选实施方式进行说明，但也可以将它们适当改变并进行组合。另外，在以下的说明和附图中，对实质上相同或等效的部分标注相同的附图标记进行说明。
实施例1
[光子晶体面发射激光器的结构]
光子晶体面发射激光器(以下也称为PCSEL)是在与构成发光元件的半导体发光结构层(n-引导层、发光层、p-引导层)平行的方向上具有谐振器层、并向与该谐振器层正交的方向放射相干光的元件。
另一方面，已知一种具有夹着半导体发光结构层的一对谐振镜(布拉格反射镜)的分布式布拉格反射型(Distributed Bragg Reflector：DBR)激光器，而光子晶体面发射激光器(PCSEL)在以下方面与DBR激光器不同。即，在光子晶体面发射激光器(PCSEL)中，在与光子晶体层平行的面内传播的光波通过光子晶体的衍射效应而衍射，形成二维谐振模式，并且在与该平行面垂直的方向上也衍射。即，相对于谐振方向(与光子晶体层平行的面内)，光提取方向为垂直方向。
图1A是示意性地示出实施例1的光子晶体激光元件(PCSEL元件)10的结构的一个示例的截面图。PCSEL元件10通过在基板上层叠多个半导体层而构成。该半导体层例如由GaN系半导体等六方晶系的氮化物半导体构成。
更详细而言，在基板11上依次形成有n-包层(第一导电型的第一包层)13、n-引导层(第一引导层)14、有源层15、p-引导层(第二引导层)16和p-接触层17。
n-包层(第一导电型的第一包层)13和n-引导层(第一引导层)14构成第一半导体层12，第二引导层16和p-接触层17构成第二半导体层18。第一半导体层12包含第一导电型(例如n型)的半导体层，第二半导体层18包含与第一导电型相反的导电型(例如p型)的半导体层。
另外，n-引导层(第一引导层)14由下引导层14A、光子晶体层(气孔层或者PC层)14P和嵌入层14B构成。光子晶体层14P具有在与光子晶体层14P平行的面内具有二维周期性地配置的气孔(air hole)。在本实施方式中，光子晶体层14P设置为与有源层15平行。
第二引导层16由设置在有源层15上的第一p侧半导体层16A、设置在第一p侧半导体层16A上的电子阻挡层(EBL：ElectronBlocking Layer)16B、以及设置在电子阻挡层16B上的第二p侧半导体层16C构成。
在第二引导层16上形成的p-接触层17是提高与金属电极的欧姆接触性的半导体层，由与第二p侧半导体层16C相比能带隙小的半导体层和/或杂质浓度高的半导体层形成。
在本说明书中，对第一导电型为n型、第一导电型的相反导电型即第二导电型为p型的情况进行说明，但第一导电型和第二导电型也可以分别为p型、n型。
此外，在本说明书中，“n-”、“p-”是指“n侧”、“p侧”，并不一定指具有n型、p型。例如，n-引导层是指设置于比有源层靠n侧的位置的引导层，也可以是未掺杂层(或i层)。
另外，n-包层13也可以不是单一层而是由多个层构成，在该情况下，不需要所有层都是n层(n掺杂层)，也可以包含未掺杂层(i层)。对于p-引导层(第二引导层)16也同样如此。
另外，上述对光子晶体激光元件10的具体且详细的半导体层的构成进行了说明，但仅仅示出了元件结构的一个示例。总之，只要构成为包括具有光子晶体层14P的第一半导体层(或第一引导层)、第二半导体层(或第二引导层)、和夹在这些层之间的有源层(发光层)、并通过向有源层注入电流而发光即可。
例如，光子晶体激光元件不需要具有上述的所有半导体层。或者，光子晶体激光元件也可以具有用于提高元件特性的各种半导体层(例如孔眼阻挡层、光限制层、电流限制层、隧道结层等)。
另外，在基板11的背面形成有圆环状的n电极(阴极)20A，在激光射出面即基板11的背面的n电极20A的内侧设置有防反射膜22。
如图1A所示，在第二半导体层18的上表面形成有从第二半导体层18的表面(即p-接触层17的表面)到达第二p侧半导体层16C的内部的槽(沟槽)16G。
此外，槽16G只要以到达第二引导层16的内部的深度形成即可，例如，也可以形成为停留在第二p侧半导体层16C的内部的深度的槽。
如图2A所示，槽16G在从与n-引导层14(即，光子晶体层14P)垂直的方向观察时(以下，也称为俯视)形成为包围圆形状的p电极20B的周围的圆环状的槽。即，槽16G是在比光子晶体层14P的气孔形成区域14R更内侧形成的圆筒状的槽。槽16G的与周向垂直的截面具有矩形形状或梯形形状，槽16G的底面是与半导体层平行的圆环状的平坦面。
通过槽16G，在第二引导层16划定圆柱状的具有台面形状的台面部(以下，也简称为台面)16M。台面16M在从垂直于光子晶体层14P的方向观察时形成在气孔形成区域14R的内侧。另外，台面16M是与薄的圆柱状的气孔形成区域14R同轴的圆柱状的台地。
另外，在台面16M的p-接触层17上形成有p电极(阳极)20B。
层叠的半导体层(即第一半导体层12、有源层15和第二半导体层18)的侧面、p电极20B的上表面以外的表面以及槽16G的内部(侧面和底面)被SiO2等的绝缘膜21覆盖。此外，为了使附图明确，未对绝缘膜21添加阴影线。另外，形成有与p电极20B电连接的焊盘电极23。
从光子晶体层14P直接发射的光(直接发射光Ld)和从光子晶体层14P发射且被p电极20B反射的光(反射发射光Lr)从基板11的背面的光发射区域20L发射到外部。
图1B是示意性地示出图1A中的光子晶体层14P和在光子晶体层14P中排列的气孔(air hole)对14K的放大截面图。气孔对14K(主气孔14K1和副气孔14K2)在结晶生长面(半导体层生长面)、即与n-引导层14平行的面(图中，A-A截面)中，以例如方形晶格状具有周期PK，气孔对14K分别二维排列于方形晶格点位置并嵌入n-引导层14内而形成。
图2A是示意性地示出光子晶体激光器(PCSEL)10的上表面的平面图，图2B是示意性地示出光子晶体层(PC层)14P的与n-引导层14平行的面(图1B、A-A截面)处的截面的截面图，图2C是示意性地示出光子晶体激光器(PCSEL)10的底面的平面图。
如图2B所示，在光子晶体层14P中，气孔(air hole)14K周期性地排列设置在例如圆形的气孔形成区域14R内。如图2C所示，n电极(阴极)20A以从垂直于光子晶体层14P的方向观察时(在俯视时)不与气孔形成区域14R重叠的方式作为环状的电极设置在气孔形成区域14R的外侧。n电极20A的内侧的区域为光发射区域20L。
如图1A所示，第二引导层16的台面16M具有高度HM。另外，如图1A、图2A和图2B所示，台面16M的直径DM比光子晶体层14P的气孔形成区域14R的直径DP小(DM<DP)。
另外，环状的n电极20A形成为与气孔形成区域14R同轴，气孔形成区域14R的直径DP比n电极20A的内径DE小(DP<DE)。
1.光子晶体激光器(PCSEL)10的制作工序
以下，对PCSEL元件10的制作工序进行详细说明。作为结晶生长方法，使用MOVPE(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)法，通过常压(大气压)生长而在基板11(生长基板)上生长层叠了半导体层。此外，在以下说明的工序中，Sn是指步骤n。
另外，下面示出的层厚、载流子浓度、第三族(III族)和第五族(V族)原料等、温度等，只要没有特别说明，仅是例示。
[S1：基板准备工序]
作为基板11，准备主面为在最表面排列有Ga原子的(0001)面即“+c”面的GaN单晶。主面既可以是正面，也可以是例如在m轴方向上偏移1°左右的基板。例如，在m轴方向上偏移1°左右的基板能够在广泛的生长条件下获得镜面生长。
设置有与主面相对的光发射区域20L的基板面(背面)是在最表面排列有N原子的(000-1)面即“-c”面。-c面耐氧化等，因此适合作为光提取面。
在本实施例中，使用n型GaN单晶作为GaN基板11。n型GaN基板11具有与电极的接触层的功能。
[S2：n-包层形成工序]
在+c面GaN基板11上，以2μm的层厚生长Al成分为4％的n型Al0.04Ga0.96N层作为n-包层13。AlGaN层通过供给氨(NH3)作为第五族原子的供给源、并且向加热至1100℃的GaN基板供给三甲基镓(TMG)和三甲基铝(TMA)作为第三族原子的供给源而生长。
载流子的掺杂通过与上述原料同时供给硅烷(SiH4)来进行(Si掺杂)。此时的室温下的载流子浓度为约4×1018cm-3。
[S3a：下引导层+气孔准备层的形成工序]
接着，供给TMG，以250nm的层厚生长n型GaN作为n-引导层14。载流子的掺杂与AlGaN层同样地同时供给硅烷(SiH4)。此时的载流子浓度为约4×1018cm-3。该生长层是除了用于形成下引导层14A以外，还用于形成光子晶体层14P的准备层。
此外，以下，为了便于说明和容易理解，有时将形成有这样的生长层的基板11(带生长层的基板)简称为基板。
[S3b：孔(孔眼)形成工序]
在形成上述准备层后，从MOVPE装置的腔室取出基板，在生长层表面形成微细的孔(孔眼)。在通过清洗获得清洁表面后，使用等离子体CVD成膜了氮化硅膜(SixNy)。在其上通过旋涂来涂布电子束描绘用抗蚀剂，放入电子束描绘装置进行二维周期结构的图案化。
如图3所示，进行了如下图案化：将由长方形状的主开口K1和具有正方形状且比主开口K1小的副开口K2构成的开口对以周期PK＝164nm在抗蚀剂的面内二维排列成方形晶格(square lattice)状。此外，为了使附图明确，对开口部添加阴影线来显示。
更详细而言，主开口K1的重心CD1在彼此正交的两个方向(x方向和y方向)上以周期PK＝164nm排列成方形晶格状。副开口K2也同样地，其重心CD2在x方向和y方向上以周期PK＝164nm排列成方形晶格状。
此外，x方向和y方向分别是相对于主开口K1的长轴方向(<11-20>方向)和短轴方向(<1-100>方向)倾斜45°的方向。在本说明书中，也将x-y坐标称为气孔(air hole)坐标。
主开口K1的长轴和副开口K2的两条边与结晶取向的<11-20>方向平行，主开口K1的短轴和副开口K2的其他两条边与<1-100>方向平行。此外，在本说明书中，气孔(或孔眼)的“长轴或短轴”是指与光子晶体层14P平行的面内的该气孔截面(开口面)的长轴或短轴。
另外，副开口K2的重心CD2与主开口K1的重心CD1间隔开Δx和Δy。在此，设Δx＝Δy。即，副开口K2的重心CD2与主开口K1的重心CD1在<1-100>方向上间隔开。具体而言，x方向的重心间距离Δx和y方向的重心间距离Δy为65.6nm(＝PK×0.4)。
对图案化的抗蚀剂进行显影后，通过ICP-RIE(Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)装置选择性地对SixNy膜进行干式蚀刻。由此，以周期164nm排列成方形晶格状的主开口K1和副开口K2形成为贯通SixNy膜。
此外，周期(气孔间隔)PK通过使振荡波长(λ)为410nm、使GaN的折射率(n)为2.5，而计算为PK＝λ/n＝164nm。
接着，除去抗蚀剂，将图案化的SixNy膜作为硬掩模，在GaN表面部形成孔部(孔眼)。通过在ICP-RIE装置中使用氯系气体和氩气在深度方向上对GaN进行干式蚀刻，形成与GaN表面垂直地挖出的椭圆柱状和圆柱状的孔对即孔眼对。即，在长方形的主开口K1和正方形的副开口K2中形成椭圆柱状和圆柱状的孔眼。此外，在本工序中，为了将通过该蚀刻而在GaN表面部挖出的孔与光子晶体层14P中的气孔(air hole)进行区别，在本说明书中称为孔眼。
[S3c：清洗工序]
形成了孔眼的基板在进行脱脂清洗后，用缓冲氢氟酸(HF)除去SixNy膜。
[S3d：嵌入层形成工序]
将该基板再次导入MOVPE装置的反应器内，供给氨(NH3)并升温至950℃(第一嵌入温度)后，供给三甲基镓(TMG)和NH3并封闭孔眼对(主孔和副孔)，形成嵌入层14B。
通过以上的嵌入工序，形成了具有双晶格(double lattice)结构的光子晶体层14P的n-引导层14，在该光子晶体层14P中，由主气孔14K1和副气孔14K2构成的气孔对14K配置于各方形晶格点处。
[S4：发光层形成工序]
接着，生长了多量子阱(MQW)层作为发光层即有源层15。MQW的阻隔层和阱层分别为GaN和InGaN。阻隔层的生长通过如下方式进行：在将基板降温至820℃后，供给三乙基镓(TEG)作为第三族原子的供给源，供给NH3作为氮源。另外，阱层的生长通过如下方式进行：在与阻隔层相同的温度下，供给TEG和三甲基铟(TMI)作为第三族原子的供给源，供给NH3作为氮源。本实施例中的来自有源层的PL(Photoluminescence)发光的中心波长为412nm。
[S5：第一p侧半导体层形成工序]
在有源层生长后，将基板升温至1050℃，以120nm的层厚生长了GaN作为第一p侧半导体层16A。第一p侧半导体层16A通过供给TMG、NH3而不掺杂掺杂剂来生长。
[S6：电子阻挡层形成工序]
在第一p侧半导体层16A生长后，在将基板温度维持在1050℃的状态下，生长了电子阻挡层(EBL)16B。EBL16B的生长是通过供给TMG和TMA作为第三族原子源、供给NH3作为氮源而进行的。另外，供给了Cp2Mg作为p-掺杂剂。由此，形成Al成分为18％、层厚为17nm的EBL16B。
[S7：第二p侧半导体层形成工序]
在电子阻挡层(EBL)16B生长后，在将基板温度维持在1050℃的状态下，生长了第二p侧半导体层16C。第二p侧半导体层16C的生长是通过供给TMG和TMA作为第三族原子源、供给NH3作为氮源而进行的。另外，供给了Cp2Mg作为p-掺杂剂。由此，形成了Al成分为6％、层厚为600nm的第二p侧半导体层16C。此外，在生长后的N2气氛中在850℃下进行10分钟的激活时，p-包层(p-AlGaN)18的载流子浓度为2×1017cm-3。
通过第二p侧半导体层16C的形成，形成了由第一p侧半导体层16A、EBL16B和第二p侧半导体层16C构成的第二引导层16。
[S8：p-接触层形成工序]
在第二p侧半导体层16C生长后，在将基板温度维持在1050℃的状态下，生长了层厚为25nm的p-接触层17。p-接触层17的生长是通过供给TMG作为第三族原子源、供给NH3作为氮源而进行的。另外，供给了Cp2Mg作为掺杂剂。
[S9：元件分离槽形成工序]
在完成了外延生长层的形成的带生长层的基板的表面上，用旋涂玻璃(SOG)法涂布SiO2。在涂布而得的SiO2膜上，用光刻将元件分离槽图案化。将SiO2作为掩模，通过气相蚀刻进行蚀刻直至n侧包层13或生长用基板11露出。然后，用BHF除去SiO2掩模，形成元件分离槽。
[S10：槽和台面的形成工序]
再次用SOG法在表面涂布SiO2。使用光刻将涂布而得的SiO2膜图案化，形成掩模。使用该SiO2掩模，通过气相蚀刻形成到达p-引导层(第二引导层)16的内部的槽16G。如图2A所示，作为圆环状的槽16G的形成的结果，在槽16G的内侧形成有p-引导层16的圆柱状的台面16M(台面部)。
台面16M是在从垂直于光子晶体层14P的方向观察时处于气孔形成区域14R的外缘的内侧且与气孔形成区域14R同心的圆柱状的台地。另外，如图1A所示，台面16M具有高度HM。
[S11：阳极电极形成工序]
通过电子束蒸镀法，在外延生长基板的表面上成膜厚度100nm的钯(Pd)作为p电极金属层。通过光刻法将p电极金属层图案化，在p-接触层17上形成直径200μm的p电极20B。
[S12：绝缘膜形成工序]
使用光刻法在p电极20B上形成掩模后，通过溅射成膜了厚度200nm的SiO2绝缘膜(保护膜)。通过剥离去除p电极20B上的SiO2绝缘膜21。
[S13：p侧焊盘电极形成工序]
使用光刻法在PCSEL元件10的上表面上形成掩模后，通过溅射依次通过电子束蒸镀法成膜了由钛/铂/钛/金(Ti/Pt/Ti/Au)构成的金属层。通过剥离去除PCSEL元件10的上表面周围的金属层而形成焊盘电极23。
[S14：基板研磨工序]
然后，将基板背面磨削至150μm的厚度，进而利用金刚石研磨液和化学机械研磨(CMP)法进行镜面研磨。
[S15：加工变质层除去工序]
接着，用KOH溶液对射出面进行湿式蚀刻，除去加工变质层。为了除去加工变质层，也可以使用NaOH溶液、四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液等湿式蚀刻、使用了氯系气体的干式蚀刻法。
[S16：阴极电极形成工序]
接着，通过电子束蒸镀法，在基板11的背面通过电子束蒸镀法依次成膜Ti和Au，图案化为圆环状，形成n电极20A。
[S17：防反射膜形成工序]
在激光射出面即圆环状的n电极20A的内侧，通过溅射成膜SiO2，形成防反射膜22。防反射层可以是单层，也可以是与其他电介质膜组合而成的多层膜。
[S12：单片化工序]
最后，沿着基板分离槽的中央线进行激光划线，获得单片化的PCSEL元件10。
2.气孔层
图4是示出本实施例的光子晶体层14P的气孔的形状的SEM(Scanning ElectronMicroscope)图像。此外，后述的比较例1的光子晶体层14P的SEM图像也同样如此。
为了确认本实施例中的嵌入的气孔的形状，通过聚焦离子束(FIB)从表面对层叠结构进行加工，直至光子晶体层14P的气孔露出为止，然后进行SEM观察。
观察到扁六棱柱的气孔(主气孔)14K1和正六棱柱的气孔(副气孔)14K2的气孔对。主气孔14K1具有长轴平行于<11-20>轴的扁六棱柱形状。另外，与主气孔14K1相比，副气孔14K2的尺寸(例如，至少气孔直径和深度中的任一个)较小。
即，确认了形成了双晶格结构的光子晶体层14P，在该光子晶体层14P中，由主气孔14K1和副气孔14K2构成的气孔对14K配置于周期PK的各方形晶格点处。
3.器件特性
对如上述那样制成的实施例1的PCSEL元件10和比较例1的PCSEL元件90的器件特性进行了评价。此外，比较例1的PCSEL元件90仅在不具有槽16G这一点上与本实施例的PCSEL元件10不同，其他结构与本实施例的PCSEL元件10相同。
参照示出比较例1的PCSEL元件90的图5，更具体地进行说明，在比较例1的PCSEL元件90中，未形成台面16M，第二引导层16的表面是平坦的。即，p-接触层17和第二引导层16的厚度是恒定的。
另外，在p-接触层17的表面形成有与气孔形成区域14R同轴的p电极20B。p电极20B的直径DC与实施例1的PCSEL元件10的台面16M的直径DM相等(DC＝DM)。
在所制作的PCSEL元件10(实施例1)和PCSEL元件90(比较例1)中，流通重复频率为1kHz、脉冲宽度为100ns(纳秒)的脉冲电流流动，测定光束形状。
图6A示出实施例1的PCSEL元件10的远场图形，图6B示出比较例1的PCSEL元件90的远场图形。在实施例1的PCSEL元件10中，以0.2度以下的发散角得到单峰形状的光束。在比较例1的PCSEL元件90中，以0.2度以下的发散角，除了观察到单峰形状的光束，还观察到直线状(十字状)的高阶模。
即，确认了在实施例1的PCSEL元件10中，抑制了高阶模(横模)，得到单峰形状的光束品质高的激光。以下，对这一点进行考察。
图7是示意性地示出相对于空间位置的振荡模式频率的图。对实施例1和比较例1的情况进行比较而示出。在图中，带边频率FBE(光子带边频率)用虚线来表示，光子带隙(PBG)由阴影线来表示。另外，示出了电流注入区域即台面区域(实施例1)和电极区域(比较例1)。
在此，光子带隙(PBG)是指光的禁带。即，光子带隙示出光无法存在的频率区域，具有该区域内的频率的光无法透射。
参照图7，在比较例1中，在(A)不注入电流时，带边频率FBE在电极区域(p电极20B)的内外恒定。另一方面，在(B)电流注入时，在电流注入区域即电极区域的内侧的半导体层中，与电极区域的外侧的半导体层相比，载流子密度增大，折射率降低。
由此，电极区域内侧的半导体层的带边频率高于电极区域外侧的半导体层的带边频率。即，光向电极区域外的区域(即，未透明化的吸收区域)的泄漏减少，水平方向的光限制增强。其结果是，基模与高阶模的阈值增益差减小，在高阶模下变得容易振荡。因此，横模控制性降低，容易产生多模振荡。
另一方面，在实施例1中，在台面区域外的外侧的半导体层(即，槽16G的区域)中，与台面区域的内侧的半导体层相比，有效折射率小。因此，在(A)不注入电流时，台面区域内的带边频率低于台面区域外的带边频率。
并且，在(B)电流注入时，即使在台面区域的内侧的半导体层中载流子密度增大且折射率降低，也能够减小台面区域内外的半导体层的带边频率的差。此外，在图7中，示出了其差为零的情况。另外，特别是在高电流注入动作中也能够得到稳定的基模振荡的光束品质高的激光。
更详细而言，带边频率的差变小，由此光向电极区域(台面区域)外的泄漏变得大于比较例1。基模是在电极的中央具有电场强度峰值的形状，另一方面，高阶模在从电极的中心偏离的地方具有电场强度的峰值，因此，光泄漏的影响(即损失)成为高阶模>基模。其结果是，基模与高阶模的阈值增益差变大，高阶模被抑制。
因此，能够抑制基模与高阶模的阈值增益差的减少，能够得到高阶模振荡被抑制的光束品质高的激光。
实施例2
图8是示意性地示出实施例2的PCSEL元件20的结构的一个示例的截面图。实施例2的PCSEL元件20的半导体层的构成与实施例1中说明的构成相同。以下，以PCSEL元件20的台面结构为中心进行详细说明。
在实施例2的PCSEL元件20中，与实施例1的情况同样地，在第二半导体层18中形成有从第二半导体层18的表面(即，p-接触层17的表面)到达第二p侧半导体层16C的内部的槽16G。另外，通过槽16G，在第二引导层16上形成有台面16M。
台面16M具有与气孔形成区域14R同轴的圆柱形状，且在从垂直于光子晶体层14P的方向观察时形成在气孔形成区域14R的内侧。即，台面16M的直径DM比光子晶体层14P的气孔形成区域14R的直径DP小(DM<DP)。
另外，槽16G的外周(或者槽16G的底面的外周)的直径DG具有光子晶体层14P的气孔形成区域14R的直径DP以上的大小(DP≤DG)。
如参照图7所说明的那样，同样在实施例2的PCSEL元件20中，在电流注入时，即使在台面区域的内侧的半导体层中载流子密度增大且折射率降低，也能够减小台面区域内外的半导体层的带边频率的差。
另外，在实施例2的PCSEL元件20中，槽16G的外周的直径DG具有气孔形成区域14R的直径DP以上的大小(DP≤DG)，因此能够在气孔形成区域14R的整个外周区域，减小电流注入时的台面区域内外的折射率的差(带边频率的差)。
因此，能够抑制基模与高阶模的阈值增益差的减少，能够得到高阶模振荡被抑制的光束品质高的激光。另外，特别是在高电流注入动作中也能够得到稳定的基模振荡的光束品质高的激光。
此外，对光子晶体层14P的气孔形成区域14R在俯视时具有圆形状的情况进行了说明，但并不限定于此。在气孔形成区域14R具有圆形状以外的形状的情况下，优选形成为槽16G的外周在气孔形成区域14R的外侧、即俯视时槽16G的外周包含气孔形成区域14R。
实施例3
图9是示意性地示出实施例3的PCSEL元件30的结构的一个示例的截面图。与实施例1的PCSEL元件10相比，虽然在PCSEL元件30的第二引导层16上形成有台面16M，但圆柱状的台面16M以外的第二引导层16的区域平坦地形成(即，相同的厚度)。
在PCSEL元件30中，与实施例1的PCSEL元件10同样地，台面16M在从垂直于光子晶体层14P的方向观察时形成在气孔形成区域14R的内侧。另外，台面16M是与薄的圆柱状的气孔形成区域14R同轴的圆柱状的台地。
即，台面16M具有直径DM且具有高度HM。台面16M的直径DM比光子晶体层14P的气孔形成区域14R的直径DP小(DM<DP)。另外，气孔形成区域14R的直径DP比n电极20A的内径DE小(DP<DE)。
如参照图7所说明的那样，同样在实施例3的PCSEL元件30中，在电流注入时，即使在台面区域的内侧的半导体层中载流子密度增大且折射率降低，也能够减小台面区域内外的半导体层的带边频率的差。因此，能够抑制基模与高阶模的阈值增益差的减少，能够得到高阶模振荡被抑制的光束品质高的激光。另外，特别是在高电流注入动作中也能够得到稳定的基模振荡的光束品质高的激光。
实施例4
图10是示意性地示出实施例4的PCSEL元件40的结构的一个示例的截面图。在本实施例的PCSEL元件40中，第二半导体层18的表面(即，p-接触层17的表面)是平坦的，在p-接触层17上形成有作为台面部的台面20M。
台面20M是金属氧化物，由透光性的导电体即ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)层形成。台面20M作为p电极发挥作用。另外，在台面20M的上表面形成有Ag(银)层(未图示)，具有ITO/Ag电极结构，在其上设置有焊盘电极23。
台面20M设置为与气孔形成区域14R同轴的圆柱形状的层，在从垂直于光子晶体层14P的方向观察时形成在气孔形成区域14R的内侧。即，台面20M的直径DM比光子晶体层14P的气孔形成区域14R的直径DP小(DM<DP)。
层叠的半导体层(即，第一半导体层12、有源层15和第二半导体层18)的侧面、第二半导体层18的上表面、以及台面20M的上表面以外的表面被SiO2等绝缘膜21覆盖。
在PCSEL元件40中，作为台面形状的p电极，采用了台面20M(ITO层)。ITO因其透明性和折射率的值(折射率n＝2.0～2.2)，不仅作为电极发挥作用，还作为包层的一部分发挥作用。
此外，在本实施例中，采用了比上述实施例的第二p侧半导体层16C(层厚600nm)薄的第二p侧半导体层16C(层厚200nm)。
在台面20M(ITO层)的外侧成膜的SiO2绝缘膜21的折射率为n＝1.4～1.55，有效折射率为(电流注入区域：台面20M(ITO层))>(电流未注入区域)。
这样，通过对有效折射率设定差，能够得到与上述实施例的台面同样的效果，能够实现模式稳定化。
根据本结构，能够避免由台面形成时的干式蚀刻引起的对晶体的损伤。另外，能够简化制造工序。
进而，通过ITO/Ag电极结构，能够使出射到p电极侧的激光有效地反射至基板侧，实现高效率化。另外，能够使电阻比较高的第二p侧半导体(p-AlGaN)层薄膜化，因此能够实现高效率化和高输出化。
此外，以台面20M由ITO构成的情况为例进行了说明，但并不限定于氧化铟系，也可以使用ZnO系、ZrO系、GaO系、SnO系或者它们的合金系等透光性的氧化物导电体。另外，以由ITO/Ag电极结构构成的情况为例进行了说明，但可以使用Ag、Al、Rh、Ru、Pt、Pd、Au等具有高反射率的金属或者它们的合金。或者，也可以代替金属而使用基于电介质多层膜的反射膜。
以上，如详细说明的那样，根据本发明，能够提供一种高阶模振荡被抑制光束品质高地光子晶体激光器(PCSEL)元件。
在上述的实施例中，圆形形状并不限定于正圆形状，还包含包括椭圆形状和卵形形状的长圆形状等，圆柱形状包含椭圆柱形状和长圆形状。
例如，在上述的实施例中，对从垂直于光子晶体层的方向观察时(俯视)气孔形成区域14R具有圆形状的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，气孔形成区域也可以具有长圆形状等。或者，气孔形成区域也可以为包含正方形、长方形的n边形形状(n为4以上的整数)。
另外，气孔形成区域也可以形成于整个光子晶体层14P。
另外，在上述的实施例中，以台面具有圆柱形状的情况为例进行了说明，但并不限定于此。例如，台面也可以具有包含四棱柱形状的n棱柱形状(n为4以上的整数)。
另外，台面结构具有与气孔形成区域对应的形状，优选形成为具有与该形成区域对应的柱形状。
在上述的实施例中，对具有双晶格结构的光子晶体层的光子晶体激光元件进行了说明，但并不限定于此，也能够应用于具有单晶格结构的光子晶体的光子晶体激光元件。
另外，在上述实施例中，对由氮化物半导体构成的光子晶体激光器进行了说明，但并不限定于此，也能够应用于由其他晶系的半导体构成的光子晶体激光器。
另外，上述的实施例中的数值仅为示例，可以通过适当改变来应用。
符号说明
10、20、30、40：PCSEL元件；11：基板；12：第一半导体层、13：第一包层；14：第一引导层；14A：下引导层；14P：光子晶体层；14B：嵌入层；15：有源层；16：第二引导层；16A：第一p侧半导体层；16B：电子阻挡层；16C：第二p侧半导体层；16G：槽；16M、20M：台面部；17：p-接触层；18：第二半导体层；20A：第一电极；20B：第二电极；20L：光发射区域；21：绝缘膜、23：焊盘电极；90：PCSEL元件(比较例)；DM：台面的直径、DP：气孔形成区域的直径。

Claims (9)

1.一种具有光子晶体层的光子晶体面发射激光元件，其具有：
第一半导体层，其嵌入具有气孔的所述光子晶体层而形成，该气孔具有二维周期性地配置在与所述光子晶体层平行的面内的形成区域内；
有源层，其形成在所述第一半导体层上；
第二半导体层，其形成在所述有源层上；以及
台面形状的台面部，其形成于所述第二半导体层的表面，
所述台面部在从垂直于所述光子晶体层的方向观察时形成在所述气孔的所述形成区域的内侧。
2.根据权利要求1所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述台面部由从所述第二半导体层的表面到达内部的槽划定。
3.根据权利要求1或2所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述槽形成为在从垂直于所述光子晶体层的方向观察时所述槽的外周在所述气孔的所述形成区域的外侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述气孔的所述形成区域具有圆形状，所述台面部具有与所述气孔的所述形成区域同轴的圆柱形状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述第二半导体层具有引导层和形成在所述引导层上且与所述引导层相比能带隙小和/或杂质浓度高的表面层，所述槽贯通所述表面层而到达所述引导层的内部。
6.根据权利要求1所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述第二半导体层具有所述台面部和所述台面部以外的部分即平坦部。
7.根据权利要求6所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述台面部形成为在从垂直于所述光子晶体层的方向观察时所述台面部的外周在所述气孔的所述形成区域的内侧。
8.根据权利要求6或7所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述气孔的所述形成区域具有圆形状，所述台面部具有与所述气孔的所述形成区域同轴的圆柱形状。
9.根据权利要求1所述的光子晶体面发射激光元件，其中，所述第二半导体层的表面是平坦的，
所述台面部设置在所述第二半导体层的所述表面上，由透光性的氧化物导电体形成。
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