JP2008226974A - 多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、該クラッド層の電気抵抗を小さくすることができる多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】２次元フォトニック結晶層１０６とそれに隣接するクラッド層１０５を備える多層膜構造体または多層膜構造体で構成される面発光レーザであって、
前記クラッド層が、前記２次元フォトニック結晶層よりも低い屈折率を有し、該クラッド層の一部または全部に細孔が形成されている構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】２次元フォトニック結晶層１０６とそれに隣接するクラッド層１０５を備える多層膜構造体または多層膜構造体で構成される面発光レーザであって、
前記クラッド層が、前記２次元フォトニック結晶層よりも低い屈折率を有し、該クラッド層の一部または全部に細孔が形成されている構成とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法に関するものである。
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く報告されている。特に、非特許文献１ではＧＲ（Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；以下、これをＧＲ効果と記す）を用いた半導体レーザについて報告されている。図３はその構造図である。
ここで、ＧＲ効果とは、光を導波モードで共振させ定在波を発生させる現象の総称であり、１次元のものとしてはＤＦＢレーザがこれを利用した代表的なデバイスである。
また、２次元の場合には、ＧＲ効果はフォトニック結晶が作製されている薄膜（以下コア層と称する）内で生じるが、面と垂直方向には放射モードが存在し、構造パラメメータを調整することで、外部への取り出し効率を制御することができる。
例えば、コア層に垂直に光が入射したとき、特定の光に対して高反射ミラーとして作用させることができる。
ここで、ＧＲ効果とは、光を導波モードで共振させ定在波を発生させる現象の総称であり、１次元のものとしてはＤＦＢレーザがこれを利用した代表的なデバイスである。
また、２次元の場合には、ＧＲ効果はフォトニック結晶が作製されている薄膜（以下コア層と称する）内で生じるが、面と垂直方向には放射モードが存在し、構造パラメメータを調整することで、外部への取り出し効率を制御することができる。
例えば、コア層に垂直に光が入射したとき、特定の光に対して高反射ミラーとして作用させることができる。
上記非特許文献１では、図３に示されるように、２次元のフォトニック結晶層（コア層）、およびスペーサ層およびＤＢＲ層を積層することで面発光レーザ構造が構成されている。
ここで、コア層はＩｎＰとＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸構造となっており、２次元のフォトニック結晶構造を形成すると同時に発光層にもなっている。
一方、スペーサ層はＳｉＯ2、ＤＢＲ層はＳｉ／ＳｉＯ2の多層膜となっている。コア層表面からレーザ光（波長７８０ｎｍ）で励起することで、発振波長１５００ｎｍ付近でレーザ発振を得たとしている。
ここで、コア層はＩｎＰとＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸構造となっており、２次元のフォトニック結晶構造を形成すると同時に発光層にもなっている。
一方、スペーサ層はＳｉＯ2、ＤＢＲ層はＳｉ／ＳｉＯ2の多層膜となっている。コア層表面からレーザ光（波長７８０ｎｍ）で励起することで、発振波長１５００ｎｍ付近でレーザ発振を得たとしている。
また、非特許文献２では可視領域のＧＲ効果の例が報告されている。図４はその模式図である。
この非特許文献２では、サファイア基板の上にＡｌＮバッファ層を積層したあと、ＧａＮコア層を形成し、２次元のフォトニック結晶構造を作製し、その透過特性を測定し、シミュレーションと比較されている。
ここでは、空気とサファイア基板をクラッドとして用いるＧａＮ系でも、ＧＲ効果を発現し得ることが示されている。
この非特許文献２では、サファイア基板の上にＡｌＮバッファ層を積層したあと、ＧａＮコア層を形成し、２次元のフォトニック結晶構造を作製し、その透過特性を測定し、シミュレーションと比較されている。
ここでは、空気とサファイア基板をクラッドとして用いるＧａＮ系でも、ＧＲ効果を発現し得ることが示されている。
さらに、特許文献１では、ｐ型ＧａＮを低電気抵抗化する方法が提案されている。
ここには、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体を非水素雰囲気中でアニーリングする。
これにより、水素が半導体中に混入されてＭｇと結合して高電気抵抗となっているＭｇドープＧａＮから、アニーリングする。
そして、水素を除去し、Ｍｇを正常なアクセプターとして作用させて、低電気抵抗なｐ型ＧａＮ層を得る方法が開示されている。
¨Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒ¨，ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８８， ０８１１１３ （２００６） ¨Ｇｕｉｄｅｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ ｉｎ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ＧａＮ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｌａｂｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ¨，２２ Ａｕｇｕｓｔ ２００５／Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１７／ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ ６５６４ 特開平５−１８３１８９号公報
ここには、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体を非水素雰囲気中でアニーリングする。
これにより、水素が半導体中に混入されてＭｇと結合して高電気抵抗となっているＭｇドープＧａＮから、アニーリングする。
そして、水素を除去し、Ｍｇを正常なアクセプターとして作用させて、低電気抵抗なｐ型ＧａＮ層を得る方法が開示されている。
¨Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒ¨，ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８８， ０８１１１３ （２００６） ¨Ｇｕｉｄｅｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ ｉｎ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ＧａＮ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｌａｂｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ¨，２２ Ａｕｇｕｓｔ ２００５／Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１７／ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ ６５６４
しかしながら、コア層にＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子を用い、クラッド層にｐ型ＡｌＧａＮを用いた場合、つぎの（１）及び（２）のような課題が生じる。
（１）一般的なフォトニック結晶構造を用いた場合、比屈折率差を１０％以下にすると強いＧＲ効果が得られないという課題が生じる。
（２）仮にＧＲ効果が得られたとしても、ｐ型ＡｌＧａＮの電気抵抗が高く、電流注入が効果的に行なわれず半導体レーザとして機能し得ないという課題が生じる。
つまり、ＧＲ効果をＧａＮデバイスに適用とする場合、上記した（１）の屈折率差に関する課題と、上記した（２）の電流注入に関する課題とによる２つの課題を同時に解決することが必要となる。
（１）一般的なフォトニック結晶構造を用いた場合、比屈折率差を１０％以下にすると強いＧＲ効果が得られないという課題が生じる。
（２）仮にＧＲ効果が得られたとしても、ｐ型ＡｌＧａＮの電気抵抗が高く、電流注入が効果的に行なわれず半導体レーザとして機能し得ないという課題が生じる。
つまり、ＧＲ効果をＧａＮデバイスに適用とする場合、上記した（１）の屈折率差に関する課題と、上記した（２）の電流注入に関する課題とによる２つの課題を同時に解決することが必要となる。
まず、上記（１）の屈折率差に関する課題について、更に説明する。
２次元のフォトニック結晶によるＧＲ効果を利用した半導体レーザにおいては、フォトニック結晶層とこれに隣接するクラッド層との間の屈折率差が大きいことが望ましい。
それは厚さ方向にはフォトニック結晶による光閉じ込め効果は作用しないからである。
しかしながら、半導体レーザの共振器として利用することを考えた場合、コア層の少なくとも片側は半導体層にする必要がある。このことは、フォトニック結晶層との屈折率差を小さくすることになる。
上記非特許文献１によれば、通常の正方格子構造を有するフォトニック結晶層にＧａＮ（屈折率２．３７）を、クラッド層の一方に空気（屈折率１）を用いた場合には、他のクラッド層にはつぎのような屈折率が必要となる。
すなわち、大きな反射率（たとえば、８０％以上）を得るためには、他のクラッド層の屈折率は、２．１２程度が必要であることを示している。
比屈折率差Δ＝（ｎ２−ｎ１）／ｎ１で定義すると、約１２％程度の比屈折率差が必要であることを示唆している。
２次元のフォトニック結晶によるＧＲ効果を利用した半導体レーザにおいては、フォトニック結晶層とこれに隣接するクラッド層との間の屈折率差が大きいことが望ましい。
それは厚さ方向にはフォトニック結晶による光閉じ込め効果は作用しないからである。
しかしながら、半導体レーザの共振器として利用することを考えた場合、コア層の少なくとも片側は半導体層にする必要がある。このことは、フォトニック結晶層との屈折率差を小さくすることになる。
上記非特許文献１によれば、通常の正方格子構造を有するフォトニック結晶層にＧａＮ（屈折率２．３７）を、クラッド層の一方に空気（屈折率１）を用いた場合には、他のクラッド層にはつぎのような屈折率が必要となる。
すなわち、大きな反射率（たとえば、８０％以上）を得るためには、他のクラッド層の屈折率は、２．１２程度が必要であることを示している。
比屈折率差Δ＝（ｎ２−ｎ１）／ｎ１で定義すると、約１２％程度の比屈折率差が必要であることを示唆している。
実際、本発明者が試作を行い、通常の正方格子を有するフォトニック結晶で試作を行なったところ、比屈折率差が１０％以下ではＧＲ効果が極めて起こり難いことを確認している。
これを回避するため、上記非特許文献１では、クラッドの一方を空気、他方をＳｉＯ2（屈折率１．５）とされている。
また、上記非特許文献２では、クラッドの一方を空気（屈折率１）他方をサファイア基板（屈折率１．７）とされている。
しかしながら、これらにおいて、強いＧＲ効果は得られるが、電流注入を行なうことは困難である。例えば、上記非特許文献１では、光励起のデータを示しているのみである。
これを回避するため、上記非特許文献１では、クラッドの一方を空気、他方をＳｉＯ2（屈折率１．５）とされている。
また、上記非特許文献２では、クラッドの一方を空気（屈折率１）他方をサファイア基板（屈折率１．７）とされている。
しかしながら、これらにおいて、強いＧＲ効果は得られるが、電流注入を行なうことは困難である。例えば、上記非特許文献１では、光励起のデータを示しているのみである。
ＡｌＧａＡｓ系の場合には、ＡｌＡｓをクラッド層に使えるため、コア層をＧａＡｓとして構成することによって、屈折率差を稼ぐことができ、大きな問題にはならない。
一方、ＡｌＧａＮ系の場合には、ＡｌＧａＡｓ系に比べ格子定数差が大きいため、臨界膜厚が薄くなる。仮に、成長が可能だったとしても、上記（２）の電気抵抗の課題が生じる。
一方、ＡｌＧａＮ系の場合には、ＡｌＧａＡｓ系に比べ格子定数差が大きいため、臨界膜厚が薄くなる。仮に、成長が可能だったとしても、上記（２）の電気抵抗の課題が生じる。
つぎに、上記（２）の電気抵抗の課題について説明する。
一般に、ＧａＮ系の結晶成長技術では、低抵抗のｐ型ＧａＮは得難いとされている。
このように低抵抗のｐ型ＧａＮが得られ難い理由については、つぎのような理由によるものと考えられている。
（１）ＧａＮでは不純物（ＭｇやＺｎ）が格子位置に入りにくく、格子間に存在する確率が高いため、活性化率が大きくできない。
（２）また、ＧａＮ系結晶では結晶性が悪く結晶中に窒素空孔が多いため、不純物をドープしなくても低抵抗のｎ型半導体となりやすく、このためｐ型不純物をドープしたものは補償効果で高抵抗となる。
（３）さらに、ＧａＮ系半導体の成長中または成長後にＮ源であるＮＨ3が分解して水素原子が発生し、この水素原子が、ｐ型不純物であるＭｇ、Ｚｎ等と結合して、これらｐ型不純物がアクセプターとして機能するのを妨げる。
その結果、このｐ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体が高抵抗を示す。
以上が、低抵抗のｐ型ＧａＮが得られ難い理由であると考えられている。
このうち、上記（３）の不純物の水素との結合の影響がもっとも大きいものと考えられている。
一般に、ＧａＮ系の結晶成長技術では、低抵抗のｐ型ＧａＮは得難いとされている。
このように低抵抗のｐ型ＧａＮが得られ難い理由については、つぎのような理由によるものと考えられている。
（１）ＧａＮでは不純物（ＭｇやＺｎ）が格子位置に入りにくく、格子間に存在する確率が高いため、活性化率が大きくできない。
（２）また、ＧａＮ系結晶では結晶性が悪く結晶中に窒素空孔が多いため、不純物をドープしなくても低抵抗のｎ型半導体となりやすく、このためｐ型不純物をドープしたものは補償効果で高抵抗となる。
（３）さらに、ＧａＮ系半導体の成長中または成長後にＮ源であるＮＨ3が分解して水素原子が発生し、この水素原子が、ｐ型不純物であるＭｇ、Ｚｎ等と結合して、これらｐ型不純物がアクセプターとして機能するのを妨げる。
その結果、このｐ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体が高抵抗を示す。
以上が、低抵抗のｐ型ＧａＮが得られ難い理由であると考えられている。
このうち、上記（３）の不純物の水素との結合の影響がもっとも大きいものと考えられている。
一方、特許文献１によるとｐ型ＧａＮを低電気抵抗化することが可能であるが、この方法はＧａＮに対するものであり、ＡｌＧａＮに対してはほとんど効果はないことが知られている。
そのため、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの超格子構造が、ＡｌＧａＮ層に代えて用いられている。
ＡｌＧａＮの場合には、表面からの水素離脱を行なうものであり、数１０ｎｍの厚さであれば十分な効果が得られるが、数１００ｎｍ以上になると表面から遠い部分の活性化が不十分となる。
その結果、膜厚が厚いほどバルク全体としては十分な低抵抗化がなされないという問題を有している。
２次元のフォトニック結晶によるＧＲ効果を利用した半導体レーザにおいては、フォトニック結晶層とこれに隣接するクラッド層との間の屈折率差が大きいことが望ましい。
したがって、このようなＧＲ効果の観点からは、フォトニック結晶層との屈折率差を稼ぐため、これに隣接するクラッド層はその屈折率をより小さくするためにＡｌＧａＮにすることが望ましい。
しかしながら、上記したようにＡｌＧａＮはＧａＮよりも、さらに高抵抗になる傾向にある。
このようなことから、ＧＲ効果と電気抵抗との両者を両立させることは極めて困難であった。
そのため、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの超格子構造が、ＡｌＧａＮ層に代えて用いられている。
ＡｌＧａＮの場合には、表面からの水素離脱を行なうものであり、数１０ｎｍの厚さであれば十分な効果が得られるが、数１００ｎｍ以上になると表面から遠い部分の活性化が不十分となる。
その結果、膜厚が厚いほどバルク全体としては十分な低抵抗化がなされないという問題を有している。
２次元のフォトニック結晶によるＧＲ効果を利用した半導体レーザにおいては、フォトニック結晶層とこれに隣接するクラッド層との間の屈折率差が大きいことが望ましい。
したがって、このようなＧＲ効果の観点からは、フォトニック結晶層との屈折率差を稼ぐため、これに隣接するクラッド層はその屈折率をより小さくするためにＡｌＧａＮにすることが望ましい。
しかしながら、上記したようにＡｌＧａＮはＧａＮよりも、さらに高抵抗になる傾向にある。
このようなことから、ＧＲ効果と電気抵抗との両者を両立させることは極めて困難であった。
本発明は、上記課題に鑑みフォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、該クラッド層の電気抵抗を小さくすることができ、
ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法の提供を目的とする。
ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法の提供を目的とする。
本発明は、次のように構成した多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法を提供するものである。
本発明の多層膜構造体は、２次元フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層を備える多層膜構造体であって、
前記クラッド層が、前記２次元フォトニック結晶層よりも低い屈折率を有し、該クラッド層の一部または全部に細孔が形成されていることを特徴とする。
また本発明の面発光レーザは、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザであって、
前記第１または第２の反射鏡と前記第１のクラッド層または第２のクラッド層が、上記した多層膜構造体で構成されていることを特徴とする。
また本発明の面発光レーザは、前記第１または第２のクラッド層が、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の反射鏡が基板側に位置するＤＢＲ構造による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が上記した多層膜構造体における２次元フォトニック結晶層で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の反射鏡が基板側に位置する２次元フォトニック結晶層による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が上記した多層膜構造体の２次元フォトニック結晶層で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、基板上に、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザの製造方法であって、
前記基板上に、前記第１の反射鏡、前記第１のクラッド層、前記コア層および前記第２のクラッド層を、この順に積層する工程と、
前記第２のクラッド層の表面から多孔質化した後に熱処理する工程と、
前記第２のクラッド層上に、該第２のクラッド層と屈折率差を有する材料による前記第２の反射鏡を積層する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第１または第２のクラッド層が、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成されることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第１の反射鏡がＤＢＲ構造による反射鏡であり、前記第２の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第１の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であり、前記第２の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であることを特徴とする。
本発明の多層膜構造体は、２次元フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層を備える多層膜構造体であって、
前記クラッド層が、前記２次元フォトニック結晶層よりも低い屈折率を有し、該クラッド層の一部または全部に細孔が形成されていることを特徴とする。
また本発明の面発光レーザは、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザであって、
前記第１または第２の反射鏡と前記第１のクラッド層または第２のクラッド層が、上記した多層膜構造体で構成されていることを特徴とする。
また本発明の面発光レーザは、前記第１または第２のクラッド層が、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の反射鏡が基板側に位置するＤＢＲ構造による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が上記した多層膜構造体における２次元フォトニック結晶層で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の反射鏡が基板側に位置する２次元フォトニック結晶層による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が上記した多層膜構造体の２次元フォトニック結晶層で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、基板上に、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザの製造方法であって、
前記基板上に、前記第１の反射鏡、前記第１のクラッド層、前記コア層および前記第２のクラッド層を、この順に積層する工程と、
前記第２のクラッド層の表面から多孔質化した後に熱処理する工程と、
前記第２のクラッド層上に、該第２のクラッド層と屈折率差を有する材料による前記第２の反射鏡を積層する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第１または第２のクラッド層が、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成されることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第１の反射鏡がＤＢＲ構造による反射鏡であり、前記第２の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第１の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であり、前記第２の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であることを特徴とする。
本発明によれば、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、該クラッド層の電気抵抗を小さくすることができ、
ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法の実現が可能になる。
ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる多層膜構造体、多層膜構造体で構成される面発光レーザおよびその製造方法の実現が可能になる。
つぎに、本発明の実施の形態における２次元フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層を備える多層膜構造体を用いた面発光レーザについて説明する。すなわち、基板上に設けられた第１または第２の反射鏡と前記第１のクラッド層または第２のクラッド層が、本発明の多層膜構造体で構成された面発光レーザについて説明する。
図１に、本実施の形態における第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザを説明するための模式的断面図を示す。
図１において、１０１は基板、１０２は第１の反射鏡を構成するｎ型ＤＢＲ層である。
１０３は第１のクラッド層を構成するｎ型クラッド層、１０４はコア層（活性層）、１０５は第２のクラッド層を構成するｐ型クラッド層である。
１０６は第２の反射鏡を構成するｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）、１０７はカソード電極、１０８はアノード電極である。
図１に、本実施の形態における第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザを説明するための模式的断面図を示す。
図１において、１０１は基板、１０２は第１の反射鏡を構成するｎ型ＤＢＲ層である。
１０３は第１のクラッド層を構成するｎ型クラッド層、１０４はコア層（活性層）、１０５は第２のクラッド層を構成するｐ型クラッド層である。
１０６は第２の反射鏡を構成するｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）、１０７はカソード電極、１０８はアノード電極である。
本実施の形態の面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層に隣接するｐ型クラッド層１０５は、２次元フォトニック結晶層よりも低い屈折率を有するＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎで構成されている。
これにより、クラッド層１０５とＰｈＣ層１０６の間の屈折率差を稼ぎ、かつ両者の電気抵抗を小さくすることができる。
本実施の形態においては、ｐ型クラッド層１０５を積層した後、該ｐ型クラッド層１０５の一部または全部に、陽極化成によって径がナノオーダの細孔を多数ランダムに形成する。
径がナノオーダでランダムに形成されているため、可視域の光（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍ）にとっては、光学的な作用はなく、単に等価的に屈折率が小さくなるだけの効果が生じる。
その後、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮクラッド層を形成している場合には、非水素雰囲気、例えば窒素雰囲気中で熱処理（温度１０００℃、時間３０分）を行なう。
このように熱処理することで、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層の電気抵抗は飛躍的に改善され、低電気抵抗化することができる。
なお、ＭＢＥ法などで、ＡｌＧａＮクラッド層を形成している場合には、非水素雰囲気による熱処理に限定されず、例えば、水素雰囲気中での熱処理や窒素雰囲気中の熱処理でもよい。
熱処理温度は、９００℃から１１００℃、好ましくは、９５０℃から１０５０℃、更に好ましくは、９８０℃から１０２０℃の範囲である。
キャリア密度で表現すると、従来１Ｅ＋１７ｃｍ−３乃至３Ｅ＋１７ｃｍ−３だったものが、一桁程度キャリア密度が上がる。
これにより、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、これら両層間の電気抵抗を小さくすることができ、ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる面発光レーザが実現される。
なお、ここではｐ型クラッド層１０５をｐ型ＡｌＧａＮで形成したが、これに限定されるものではない。
これ以外にもｐ型ＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成するようにしてもよい。
これにより、クラッド層１０５とＰｈＣ層１０６の間の屈折率差を稼ぎ、かつ両者の電気抵抗を小さくすることができる。
本実施の形態においては、ｐ型クラッド層１０５を積層した後、該ｐ型クラッド層１０５の一部または全部に、陽極化成によって径がナノオーダの細孔を多数ランダムに形成する。
径がナノオーダでランダムに形成されているため、可視域の光（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍ）にとっては、光学的な作用はなく、単に等価的に屈折率が小さくなるだけの効果が生じる。
その後、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮクラッド層を形成している場合には、非水素雰囲気、例えば窒素雰囲気中で熱処理（温度１０００℃、時間３０分）を行なう。
このように熱処理することで、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層の電気抵抗は飛躍的に改善され、低電気抵抗化することができる。
なお、ＭＢＥ法などで、ＡｌＧａＮクラッド層を形成している場合には、非水素雰囲気による熱処理に限定されず、例えば、水素雰囲気中での熱処理や窒素雰囲気中の熱処理でもよい。
熱処理温度は、９００℃から１１００℃、好ましくは、９５０℃から１０５０℃、更に好ましくは、９８０℃から１０２０℃の範囲である。
キャリア密度で表現すると、従来１Ｅ＋１７ｃｍ−３乃至３Ｅ＋１７ｃｍ−３だったものが、一桁程度キャリア密度が上がる。
これにより、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、これら両層間の電気抵抗を小さくすることができ、ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる面発光レーザが実現される。
なお、ここではｐ型クラッド層１０５をｐ型ＡｌＧａＮで形成したが、これに限定されるものではない。
これ以外にもｐ型ＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成するようにしてもよい。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、共振器を構成する一方のミラーがＤＢＲで形成され、他方のミラーがフォトニック結晶で形成された、発振波長４０５ｎｍの面発光レーザの構成例について説明する。
本実施例は、第１の反射鏡が基板側に位置するＤＢＲ構造による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が本発明の多層膜構造体における２次元フォトニック結晶層で構成された本発明の面発光レーザを具体化した構成例である。
本実施例は、基本的に図１に示される実施の形態における面発光レーザと同様に構成されており、実施の形態と共通する部分の説明は省略する。
［実施例１］
実施例１においては、共振器を構成する一方のミラーがＤＢＲで形成され、他方のミラーがフォトニック結晶で形成された、発振波長４０５ｎｍの面発光レーザの構成例について説明する。
本実施例は、第１の反射鏡が基板側に位置するＤＢＲ構造による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が本発明の多層膜構造体における２次元フォトニック結晶層で構成された本発明の面発光レーザを具体化した構成例である。
本実施例は、基本的に図１に示される実施の形態における面発光レーザと同様に構成されており、実施の形態と共通する部分の説明は省略する。
本実施例における面発光レーザの製造方法について説明する。
まず、前記基板上に、前記第１の反射鏡を積層する工程において、基板１０１にＧａＮ基板を用い、ＧａＮ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法等により、ＧａＮおよびＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる第１の反射鏡としてｎ型ＤＢＲ層１０２を積層する。
次に、前記第１のクラッド層、前記コア層および前記第２のクラッド層を積層する工程において、
ｎ型ＤＢＲ層１０２上に、第１のクラッド層としてｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、コア層としてＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０４、および第２のクラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５を、この順に積層する。
つぎに、第２のクラッド層の表面からナノサイズの細孔を多数ランダム形成して多孔質化した後、水素あるいは窒素雰囲気中で熱処理する工程において、
該ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５に陽極化成法により、表面から活性層近傍まで達するように径がナノオーダの細孔を多数ランダムに形成する。
プロセス条件は、例えば、陽極化成溶液として、フッ酸：水：エチルアルコール＝１：１：１（体積比）を用い、電流密度１ｍＡ／ｃｍ2、１００ｎｍ／ｍｉｎ程度の反応速度とする。
ここで、陽極化成の反応速度は、電流密度、空孔度溶液の濃度、等で制御することができる。
また、時間は１１（分）４０秒とし、多孔質の厚みを１２（μｍ）とする。
陽極化成は、例えば、弗化水素酸（ＨＦ）を含む電解溶液中に陽極及び陰極を配置し、それらの電極の間にゲルマニウム基板を配置し、それらの電極間に電流を流すことにより実施することができる。
多孔質ゲルマニウム層は、互いに多孔度が異なる２層以上の複数層で構成されてもよい。
まず、前記基板上に、前記第１の反射鏡を積層する工程において、基板１０１にＧａＮ基板を用い、ＧａＮ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法等により、ＧａＮおよびＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる第１の反射鏡としてｎ型ＤＢＲ層１０２を積層する。
次に、前記第１のクラッド層、前記コア層および前記第２のクラッド層を積層する工程において、
ｎ型ＤＢＲ層１０２上に、第１のクラッド層としてｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、コア層としてＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０４、および第２のクラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５を、この順に積層する。
つぎに、第２のクラッド層の表面からナノサイズの細孔を多数ランダム形成して多孔質化した後、水素あるいは窒素雰囲気中で熱処理する工程において、
該ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５に陽極化成法により、表面から活性層近傍まで達するように径がナノオーダの細孔を多数ランダムに形成する。
プロセス条件は、例えば、陽極化成溶液として、フッ酸：水：エチルアルコール＝１：１：１（体積比）を用い、電流密度１ｍＡ／ｃｍ2、１００ｎｍ／ｍｉｎ程度の反応速度とする。
ここで、陽極化成の反応速度は、電流密度、空孔度溶液の濃度、等で制御することができる。
また、時間は１１（分）４０秒とし、多孔質の厚みを１２（μｍ）とする。
陽極化成は、例えば、弗化水素酸（ＨＦ）を含む電解溶液中に陽極及び陰極を配置し、それらの電極の間にゲルマニウム基板を配置し、それらの電極間に電流を流すことにより実施することができる。
多孔質ゲルマニウム層は、互いに多孔度が異なる２層以上の複数層で構成されてもよい。
ここで、電流密度や陽極化成溶液の濃度は、形成すべき分離層（多孔質Ｇｅ層）の厚さや構造等に応じて適宜変更し得る。
電流密度は、０．５〜７００ｍＡ／ｃｍ2の範囲が好ましく、陽極化成溶液の濃度は、１：１０：１０〜１：０：０の範囲が好ましい。
空孔率３０％程度で表面積は、約１０倍に拡大する。このあと、窒素雰囲気中で、４００℃で１時間アニールすることにより、ｐ型ＡｌＧａＮ全体で水素脱離が可能となり、格子間に入っていたＭｇが格子に入ることで活性化し、低電気抵抗化される。
多孔質化することで、体積が減ることによる高電気抵抗化成分もあるので、むやみに空孔率を大きくすることはできない。本実施例では、電気抵抗は約１／５に見積もられる。
電流密度は、０．５〜７００ｍＡ／ｃｍ2の範囲が好ましく、陽極化成溶液の濃度は、１：１０：１０〜１：０：０の範囲が好ましい。
空孔率３０％程度で表面積は、約１０倍に拡大する。このあと、窒素雰囲気中で、４００℃で１時間アニールすることにより、ｐ型ＡｌＧａＮ全体で水素脱離が可能となり、格子間に入っていたＭｇが格子に入ることで活性化し、低電気抵抗化される。
多孔質化することで、体積が減ることによる高電気抵抗化成分もあるので、むやみに空孔率を大きくすることはできない。本実施例では、電気抵抗は約１／５に見積もられる。
次に、前記第２のクラッド層上に、該第２のクラッド層と屈折率差を有する材料による前記第２の反射鏡を積層する工程において、ｐ型ＧａＮ反射鏡層１０６を積層する。
積層方法はＭＯＣＶＤ法が適当である。多孔質層になっていても成長初期で横方向成長モードが機能し、完全に細孔が埋まって成長するのでまったく問題はない。
次に、該ｐ型ＡｌＧａＮには発振波長近傍が反射帯域になるよう２次元フォトニック結晶構造を作製する。
本実施例では、正方格子で、格子定数４５０ｎｍ、ホール径１４５ｎｍを用いる。
この結果、非屈折率差Δは、１０％以上を確保することができるとともに、シリーズ抵抗が１／５程度まで低減化する。
最後に、ＧａＮ基板１０１側にカソード電極１０７、ｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）１０６の表面側にアノード電極１０８を形成することで、本実施例の面発光レーザが完成する。
これにより、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、クラッド層を低電気抵抗化することができ、ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる面発光レーザが得られる。
積層方法はＭＯＣＶＤ法が適当である。多孔質層になっていても成長初期で横方向成長モードが機能し、完全に細孔が埋まって成長するのでまったく問題はない。
次に、該ｐ型ＡｌＧａＮには発振波長近傍が反射帯域になるよう２次元フォトニック結晶構造を作製する。
本実施例では、正方格子で、格子定数４５０ｎｍ、ホール径１４５ｎｍを用いる。
この結果、非屈折率差Δは、１０％以上を確保することができるとともに、シリーズ抵抗が１／５程度まで低減化する。
最後に、ＧａＮ基板１０１側にカソード電極１０７、ｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）１０６の表面側にアノード電極１０８を形成することで、本実施例の面発光レーザが完成する。
これにより、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、クラッド層を低電気抵抗化することができ、ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる面発光レーザが得られる。
［実施例２］
実施例２においては、共振器を構成する第１の反射鏡がＤＢＲで形成された実施例とは異なり、この第１の反射鏡を２次元フォトニック結晶層で形成した面発光レーザの構成例について説明する。
本実施例は、前記第１の反射鏡が基板側に位置する２次元フォトニック結晶層による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が本発明の多層膜構造体の２次元フォトニック結晶層で構成された本発明の面発光レーザを具体化した構成例である。図２に、本実施例における第１の反射鏡にフォトニック結晶を用いた面発光レーザを説明するための模式的断面図を示す。
本実施例は、基本的に図１に示される実施例における面発光レーザと、第１の反射鏡を２次元フォトニック結晶層で形成した点を除いて同様に構成されており、実施例１と共通する部分の説明は省略する。
実施例２においては、共振器を構成する第１の反射鏡がＤＢＲで形成された実施例とは異なり、この第１の反射鏡を２次元フォトニック結晶層で形成した面発光レーザの構成例について説明する。
本実施例は、前記第１の反射鏡が基板側に位置する２次元フォトニック結晶層による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が本発明の多層膜構造体の２次元フォトニック結晶層で構成された本発明の面発光レーザを具体化した構成例である。図２に、本実施例における第１の反射鏡にフォトニック結晶を用いた面発光レーザを説明するための模式的断面図を示す。
本実施例は、基本的に図１に示される実施例における面発光レーザと、第１の反射鏡を２次元フォトニック結晶層で形成した点を除いて同様に構成されており、実施例１と共通する部分の説明は省略する。
サファイヤ基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法等を用いて、ＧａＮバッファ層、ＡｌＮエッチングストップ層およびｎ型ＧａＮ反射鏡層２０２を形成する。
次に、実施例１と同様にｎ型ＧａＮ反射鏡層２０２上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０４、およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５を、この順に積層する。
次に、実施例１と同様のプロセスにより、該ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５に陽極化成法により、表面から活性層近傍まで達するように径がナノオーダの細孔を多数ランダムに形成する。
その後、実施例１と同様にｐ型ＧａＮ反射鏡層１０６を積層２次元フォトニック結晶構造を作製する。
最後に、サファイヤ基板２０１側にカソード電極１０７、ｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）１０６の表面側にアノード電極１０８を形成することで、本実施例の面発光レーザが完成する。
これにより、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、クラッド層を低電気抵抗化することができ、ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる面発光レーザが得られる。
次に、実施例１と同様にｎ型ＧａＮ反射鏡層２０２上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０４、およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５を、この順に積層する。
次に、実施例１と同様のプロセスにより、該ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５に陽極化成法により、表面から活性層近傍まで達するように径がナノオーダの細孔を多数ランダムに形成する。
その後、実施例１と同様にｐ型ＧａＮ反射鏡層１０６を積層２次元フォトニック結晶構造を作製する。
最後に、サファイヤ基板２０１側にカソード電極１０７、ｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）１０６の表面側にアノード電極１０８を形成することで、本実施例の面発光レーザが完成する。
これにより、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれると共に、クラッド層を低電気抵抗化することができ、ＧＲ効果と効果的な電流注入との両立が可能となる面発光レーザが得られる。
１０１：基板
１０２：ｎ型ＤＢＲ層
１０３：ｎ型クラッド層
１０４：コア層（活性層）
１０５：ｐ型クラッド層
１０６：ｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）
１０７：カソード電極
１０８：アノード電極
２０１：基サファイヤ基板
２０２：ｎ型ＧａＮ反射鏡層
１０２：ｎ型ＤＢＲ層
１０３：ｎ型クラッド層
１０４：コア層（活性層）
１０５：ｐ型クラッド層
１０６：ｐ型２次元フォトニック結晶層（反射鏡層）
１０７：カソード電極
１０８：アノード電極
２０１：基サファイヤ基板
２０２：ｎ型ＧａＮ反射鏡層
Claims (9)
- ２次元フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層を備える多層膜構造体であって、
前記クラッド層が、前記２次元フォトニック結晶層よりも低い屈折率を有し、該クラッド層の一部または全部に細孔が形成されていることを特徴とする多層膜構造体。 - 第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザであって、
前記第１または第２の反射鏡と前記第１のクラッド層または第２のクラッド層が、請求項１に記載の多層膜構造体で構成されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第１または第２のクラッド層が、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ。
- 前記第１の反射鏡が基板側に位置するＤＢＲ構造による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が請求項１に記載の多層膜構造体における２次元フォトニック結晶層で構成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の面発光レーザ。
- 前記第１の反射鏡が基板側に位置する２次元フォトニック結晶層による反射鏡で構成され、前記第２の反射鏡が請求項１に記載の多層膜構造体の２次元フォトニック結晶層で構成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の面発光レーザ。
- 基板上に、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に、コア層を挟んで第１のクラッド層と第２のクラッド層を含み構成される面発光レーザの製造方法であって、
前記基板上に、前記第１の反射鏡、前記第１のクラッド層、前記コア層および前記第２のクラッド層を、この順に積層する工程と、
前記第２のクラッド層の表面から多孔質化した後に熱処理する工程と、
前記第２のクラッド層上に、該第２のクラッド層と屈折率差を有する材料による前記第２の反射鏡を積層する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。 - 前記第１または第２のクラッド層が、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのいずれかを含む材料で形成されることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記第１の反射鏡がＤＢＲ構造による反射鏡であり、前記第２の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記第１の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であり、前記第２の反射鏡が２次元フォトニック結晶層による反射鏡であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の面発光レーザの製造方法。
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|---|---|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018517295A (ja) * | 2015-05-19 | 2018-06-28 | イェール ユニバーシティーＹａｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ | 格子整合クラッド層を有する高い閉じ込め係数のｉｉｉ窒化物端面発光レーザーダイオードに関する方法およびデバイス |
| US11018231B2 (en) | 2014-12-01 | 2021-05-25 | Yale University | Method to make buried, highly conductive p-type III-nitride layers |
| US11043792B2 (en) | 2014-09-30 | 2021-06-22 | Yale University | Method for GaN vertical microcavity surface emitting laser (VCSEL) |
| US11095096B2 (en) | 2014-04-16 | 2021-08-17 | Yale University | Method for a GaN vertical microcavity surface emitting laser (VCSEL) |
-
2007
- 2007-03-09 JP JP2007060014A patent/JP2008226974A/ja active Pending
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| US11095096B2 (en) | 2014-04-16 | 2021-08-17 | Yale University | Method for a GaN vertical microcavity surface emitting laser (VCSEL) |
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