JP2009135284A - Semiconductor laser element and method of manufacturing the same - Google Patents

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秀樹 松原
Hirohisa Saito
裕久 齊藤
Susumu Yoshimoto
晋 吉本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser element capable of improving a performance, and method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The semiconductor laser element 1 includes a photonic crystal layer 7 and an active layer 5. The photonic crystal layer 7 includes a high refractive index part 71 and a low refractive index part 72 having a refractive index lower than the refractive index of the high refractive index part 71. The active layer 5 is formed on one main surface side of the photonic crystal layer 7 and emits light by injecting a carrier. Each of the high refractive index part 71 and the low refractive index part 72 includes GaN. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、2次元回折格子を備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor laser device including a two-dimensional diffraction grating and a manufacturing method thereof.

近年、フォトニック結晶を2次元の回折格子として利用したフォトニック結晶レーザが開発されている。このフォトニック結晶レーザによれば、フォトニック結晶面内に存在するさまざまな方向の光を回折して定在波を生じさせることで、2次元の単一モード発振を実現することができ、1次元のDFBレーザなどと比較して発光効率を向上することができる。また、このフォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶の主面に対して垂直な方向に面発光するという特徴を有しているので、レーザ光の出力を増加することができる。フォトニック結晶レーザの一例として、たとえば特開2000−332351号広報(特許文献1)には、フォトニック結晶層の2次元回折格子を有する半導体発光デバイスが開示されている。   In recent years, a photonic crystal laser using a photonic crystal as a two-dimensional diffraction grating has been developed. According to this photonic crystal laser, two-dimensional single-mode oscillation can be realized by diffracting light in various directions existing in the photonic crystal plane to generate a standing wave. Luminous efficiency can be improved compared to a three-dimensional DFB laser or the like. In addition, since this photonic crystal laser has a feature of emitting light in a direction perpendicular to the main surface of the photonic crystal, the output of the laser light can be increased. As an example of a photonic crystal laser, for example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-332351 (Patent Document 1) discloses a semiconductor light emitting device having a two-dimensional diffraction grating of a photonic crystal layer.

この半導体発光デバイスは、基板と、フォトニック結晶層である2次元回折格子と、n型閉じ込め層と、活性層と、p型閉じ込め層と、アノード電極と、カソード電極とを備えている。InPよりなる基板上には2次元回折格子が形成されており、2次元回折格子上には、InPよりなるn型閉じ込め層と、InGaAs/InGaAsPよりなる多重量子井戸構造の活性層と、InPよりなるp型閉じ込め層とがこの順序で積層されている。p型閉じ込め層の上面には円形のアノード電極が形成されており、基板の下面にはカソード電極が形成されている。2次元回折格子は、InPなどよりなる高屈折率部分と、低屈折率部分とを有している。低屈折率部分は、高屈折率部分の表面に周期的に複数の孔を形成することによって作成されている。孔内を埋めない(空間とする)場合には、低屈折率部分は空気よりなっており、また孔内を埋める場合には、低屈折率部分はシリコン窒化膜などよりなっている。   This semiconductor light emitting device includes a substrate, a two-dimensional diffraction grating that is a photonic crystal layer, an n-type confinement layer, an active layer, a p-type confinement layer, an anode electrode, and a cathode electrode. A two-dimensional diffraction grating is formed on a substrate made of InP. On the two-dimensional diffraction grating, an n-type confinement layer made of InP, an active layer having a multiple quantum well structure made of InGaAs / InGaAsP, and an InP The p-type confinement layers are stacked in this order. A circular anode electrode is formed on the upper surface of the p-type confinement layer, and a cathode electrode is formed on the lower surface of the substrate. The two-dimensional diffraction grating has a high refractive index portion made of InP or the like and a low refractive index portion. The low refractive index portion is created by periodically forming a plurality of holes on the surface of the high refractive index portion. When the hole is not filled (space), the low refractive index portion is made of air, and when the hole is filled, the low refractive index portion is made of a silicon nitride film or the like.

特許文献1の半導体発光デバイスは、以下の方法で製造されている。始めに、第1の基板上に2次元回折格子が形成された形態の第1の部品と、p型閉じ込め層、活性層、およびn型閉じ込め層が第2の基板上にこの順序で形成された形態の第2の部品とを作製する。次に、第2の部品を逆さまにし、第1の部品のフォトニック結晶と、第2の部品のn型閉じ込め層とを融着貼り付けし、その後第2の基板を除去する。その後、アノード電極およびカソード電極を形成する。   The semiconductor light emitting device of Patent Document 1 is manufactured by the following method. First, a first component having a two-dimensional diffraction grating formed on a first substrate, a p-type confinement layer, an active layer, and an n-type confinement layer are formed in this order on the second substrate. A second part of the same shape is produced. Next, the second component is turned upside down, the photonic crystal of the first component and the n-type confinement layer of the second component are fusion bonded, and then the second substrate is removed. Thereafter, an anode electrode and a cathode electrode are formed.

しかし、GaN系のフォトニック結晶レーザを形成する場合、特許文献1の製造方法には融着貼り付けが難しいという問題があった。これは、GaN結晶表面の平坦性が低いことに起因している。そこで、国際公開第2006/062084号パンフレット(特許文献2)では、融着貼り付けの不要なフォトニック結晶レーザ製造方法が提案されている。   However, when forming a GaN-based photonic crystal laser, the manufacturing method of Patent Document 1 has a problem that it is difficult to perform fusion bonding. This is due to the low flatness of the GaN crystal surface. In view of this, International Publication No. 2006/062084 pamphlet (Patent Document 2) proposes a photonic crystal laser manufacturing method that does not require fusion bonding.

特許文献2の製造方法では、始めに、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層、およびフォトニック結晶層をこの順序で基板の上面に成長させる。このフォトニック結晶層は、GaNよりなるエピタキシャル層と低屈折率部分とを含んでいる。そして、GaN成分を含む層をエピタキシャル層上からエピタキシャル成長(再成長)させ、低屈折率部分の真上の領域で基板の上面に沿う方向に成長させる。その後、フォトニック結晶層より上の層を形成する。   In the manufacturing method of Patent Document 2, first, an n-type cladding layer, an active layer, a p-type cladding layer, and a photonic crystal layer are grown on the upper surface of the substrate in this order. This photonic crystal layer includes an epitaxial layer made of GaN and a low refractive index portion. Then, a layer containing a GaN component is epitaxially grown (regrown) on the epitaxial layer and grown in a direction along the upper surface of the substrate in a region immediately above the low refractive index portion. Thereafter, a layer above the photonic crystal layer is formed.

特許文献2においては、低屈折率部分として空気を用いる場合の他、SiO2、MgF2、CaF2、BaF2、またはLiFなどを用いることが言及されている。空気を用いる場合には、エピタキシャル層の表面に周期的に形成された複数の孔をそのまま利用しており、空気以外のSiO2などの材料を用いる場合には、SiO2などの材料を孔内に形成している。さらに、SiO2などの材料を孔の底部のみに形成することによって、空気とSiO2などの材料との両方によって低屈折率部分を形成することも記載されている。
特開2000−332351号広報 国際公開第2006/062084号パンフレット
Patent Document 2 mentions that SiO 2 , MgF 2 , CaF 2 , BaF 2 , LiF, or the like is used in addition to the case where air is used as the low refractive index portion. When air is used, a plurality of holes periodically formed on the surface of the epitaxial layer are used as they are. When a material such as SiO 2 other than air is used, a material such as SiO 2 is used in the holes. Is formed. Furthermore, it is also described that a low refractive index portion is formed by both air and a material such as SiO 2 by forming a material such as SiO 2 only at the bottom of the hole.
JP 2000-332351 A International Publication No. 2006/062084 Pamphlet

上述のように特許文献2に記載の方法では、GaNよりなるエピタキシャル層の表面に複数の孔を形成し、これらの孔内の空気(空気孔)を2次元回折格子の低屈折率部分として用いている。しかし、空気孔を一様な形状で形成することは難しいため、2次元回折格子を精度よく形成することは難しかった。すなわち、GaNのエピタキシャル成長は、マイグレーション速度が非常に速いなどの特異な性質を有する。GaNよりなるエピタキシャル層の表面や孔の側壁に乱れがあると、その箇所においてGaNの成長が促進され、孔内がGaNで部分的に埋められることがあった。その結果、2次元回折格子を精度よく形成することができず、半導体レーザ素子の性能向上の妨げとなっていた。   As described above, in the method described in Patent Document 2, a plurality of holes are formed on the surface of the epitaxial layer made of GaN, and air (air holes) in these holes is used as the low refractive index portion of the two-dimensional diffraction grating. ing. However, since it is difficult to form air holes in a uniform shape, it is difficult to form a two-dimensional diffraction grating with high accuracy. That is, the epitaxial growth of GaN has unique properties such as a very high migration rate. If the surface of the epitaxial layer made of GaN or the side wall of the hole is disturbed, the growth of GaN is promoted at that point, and the inside of the hole may be partially filled with GaN. As a result, the two-dimensional diffraction grating cannot be formed with high accuracy, which hinders improvement in performance of the semiconductor laser element.

また、上述のように特許文献2に記載の方法では、GaNよりなるエピタキシャル層の表面に複数の孔を形成し、これらの孔内にSiO2などの低屈折率部分を形成している。しかし、SiO2などの材料を形成した場合には、SiO2などの材料が活性層などの他の層への悪影響を及ぼすおそれがあった。すなわち、特許文献2に記載のSiO2などの材料の熱膨張係数はいずれも、GaNの熱膨張係数と大きく異なっている。このため、GaN成分を含む層を2次元回折格子上にエピタキシャル成長させる際に2次元回折格子を高温(たとえば約1000℃)に保持すると、熱に伴なう応力および歪みが2次元回折格子内に発生するおそれがあった。その結果、発光層の発光特性が劣化し、半導体レーザ素子の性能向上の妨げとなっていた。 Further, as described above, in the method described in Patent Document 2, a plurality of holes are formed on the surface of the epitaxial layer made of GaN, and low refractive index portions such as SiO 2 are formed in these holes. However, in the case of forming a material such as SiO 2, the material, such as SiO 2 there is adverse effect to other layers such as the active layer. That is, the thermal expansion coefficient of a material such as SiO 2 described in Patent Document 2 is significantly different from the thermal expansion coefficient of GaN. For this reason, when the layer containing the GaN component is epitaxially grown on the two-dimensional diffraction grating, if the two-dimensional diffraction grating is kept at a high temperature (for example, about 1000 ° C.), the stress and strain caused by the heat are generated in the two-dimensional diffraction grating. There was a risk of occurrence. As a result, the light emission characteristics of the light emitting layer are deteriorated, which hinders improvement in performance of the semiconductor laser device.

加えて、孔内にSiO2などの低屈折率部分を形成した場合には、SiO2などの材料を構成する元素(たとえばシリコン)が近傍の層の内部へ拡散するおそれがあった。その結果、半導体レーザ素子の信頼性向上の妨げとなっていた。 In addition, when a low refractive index portion such as SiO 2 is formed in the hole, there is a possibility that an element (for example, silicon) constituting the material such as SiO 2 may diffuse into the nearby layer. As a result, the improvement of the reliability of the semiconductor laser element has been hindered.

したがって、本発明の一の目的は、性能を向上することのできる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of improving performance and a method for manufacturing the same.

また、本発明の他の目的は、信頼性を向上することのできる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of improving reliability and a method for manufacturing the same.

本発明における半導体レーザ素子は、2次元回折格子と、発光層とを備えている。2次元回折格子は、高屈折率部分と、高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有している。発光層は、2次元回折格子の一方の主面側に形成されており、かつキャリアが注入されることにより発光する。高屈折率部分および低屈折率部分の各々は窒化ガリウム(GaN)成分を含んでいる。   The semiconductor laser device in the present invention includes a two-dimensional diffraction grating and a light emitting layer. The two-dimensional diffraction grating has a high refractive index portion and a low refractive index portion having a refractive index lower than that of the high refractive index portion. The light emitting layer is formed on one main surface side of the two-dimensional diffraction grating, and emits light when carriers are injected. Each of the high refractive index portion and the low refractive index portion includes a gallium nitride (GaN) component.

本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備えている。高屈折率部分と、高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有する2次元回折格子を形成する。キャリアが注入されることにより発光する発光層を2次元回折格子の一方の主面側に形成する。高屈折率部分および低屈折率部分の各々はGaN成分を含んでいる。   The method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention includes the following steps. A two-dimensional diffraction grating having a high refractive index portion and a low refractive index portion having a refractive index lower than that of the high refractive index portion is formed. A light emitting layer that emits light when carriers are injected is formed on one main surface side of the two-dimensional diffraction grating. Each of the high refractive index portion and the low refractive index portion includes a GaN component.

本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、2次元回折格子の低屈折率部分が空気孔ではなくGaN成分を含む材料で埋められているため、高屈折率部分または低屈折率部分の表面や側壁に乱れがあっても、その箇所から高屈折率部分または低屈折率部分が異常成長することがなくなる。このため、空気孔の場合に比べて2次元回折格子を精度よく形成することができる。また、高屈折率部分と低屈折率部分とは組成および物性が互いに類似しているので、熱に伴なう応力や歪みが2次元回折格子内に発生しにくい。その結果、半導体レーザ素子の性能を向上することができる。   According to the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof of the present invention, the low refractive index portion of the two-dimensional diffraction grating is filled with a material containing a GaN component instead of an air hole. Even if the surface or the side wall is disturbed, the high refractive index portion or the low refractive index portion does not grow abnormally from that portion. For this reason, a two-dimensional diffraction grating can be formed with higher precision than in the case of air holes. In addition, since the high refractive index portion and the low refractive index portion are similar in composition and physical properties, stress and strain due to heat hardly occur in the two-dimensional diffraction grating. As a result, the performance of the semiconductor laser element can be improved.

加えて、高屈折率部分と低屈折率部分とは組成および物性が互いに類似しているので、低屈折率部分を構成する元素が高屈折率部分内へ拡散しても、その影響は少ない。このため、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。   In addition, since the high refractive index portion and the low refractive index portion are similar in composition and physical properties, even if the elements constituting the low refractive index portion diffuse into the high refractive index portion, the influence is small. For this reason, the reliability of the semiconductor laser element can be improved.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分の屈折率と低屈折率部分の屈折率との差は0.04以上である。これにより、2次元回折格子に入射した光が格子点で回折しやすくなるので、各格子点間に定在波が立ちやすくなる。   In the semiconductor laser device of the present invention, the difference between the refractive index of the high refractive index portion and the refractive index of the low refractive index portion is preferably 0.04 or more. As a result, the light incident on the two-dimensional diffraction grating is easily diffracted at the lattice points, so that standing waves are easily generated between the lattice points.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分および低屈折率部分の各々はInyGa1-yN(0≦y<1)またはAlxGa1-xN(0≦x<1)よりなっている。これらの材料は、物性が特に互いに類似しているので、高屈折率部分および低屈折率部分の材料として適している。 In the semiconductor laser device of the present invention, preferably, each of the high refractive index portion and the low refractive index portion is In y Ga 1-y N (0 ≦ y <1) or Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1). ). Since these materials are particularly similar to each other in physical properties, they are suitable as materials for a high refractive index portion and a low refractive index portion.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分はInyGa1-yN(0≦y≦0.15)よりなっており、かつ低屈折率部分はAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)よりなっている。これらの材料は格子定数が特に近いので、高屈折率部分と低屈折率部分との間の格子不整合を緩和することができる。 In the semiconductor laser device of the present invention, preferably, the high refractive index portion is made of In y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.15), and the low refractive index portion is made of Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 0.5). Since these materials have particularly close lattice constants, the lattice mismatch between the high refractive index portion and the low refractive index portion can be alleviated.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、2次元回折格子および発光層はGaNよりなる基板の一方の主面側に形成される。GaNよりなる基板上にGaN成分を含む層をエピタキシャル成長すると、転位密度が低く、平坦性の高いGaN結晶が得られる、したがって、2次元回折格子および発光層の転位密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、GaNよりなる基板は導電性を有するので、基板に電極を取り付けることで基板を介して電流を注入することができ、高電流密度の電流を発光層内へ注入することができる。   In the semiconductor laser device of the present invention, preferably, the two-dimensional diffraction grating and the light emitting layer are formed on one main surface side of the substrate made of GaN. Epitaxial growth of a layer containing a GaN component on a substrate made of GaN yields a GaN crystal with low dislocation density and high flatness, thus lowering the dislocation density of the two-dimensional diffraction grating and the light emitting layer and improving flatness can do. In addition, since the substrate made of GaN has conductivity, it is possible to inject current through the substrate by attaching an electrode to the substrate, and to inject current with high current density into the light emitting layer.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、2次元回折格子は発光層よりも基板から離れた位置に形成されている。これにより、発光層および2次元回折格子がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。   In the semiconductor laser device of the present invention, the two-dimensional diffraction grating is preferably formed at a position farther from the substrate than the light emitting layer. Thus, the light emitting layer and the two-dimensional diffraction grating are formed in this order on one main surface side of the substrate.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、2次元回折格子は発光層よりも基板に近い位置に形成されている。これにより、2次元回折格子および発光層がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。   In the semiconductor laser device of the present invention, the two-dimensional diffraction grating is preferably formed at a position closer to the substrate than the light emitting layer. Thereby, a two-dimensional diffraction grating and a light emitting layer are formed in this order on one main surface side of the substrate.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、低屈折率部分は2次元回折格子の格子点となる位置に形成されている。これにより、高屈折率部分内を進む光が低屈折率部分において回折され、再び高屈折率部分内を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。   In the semiconductor laser device of the present invention, preferably, the low refractive index portion is formed at a position to be a lattice point of a two-dimensional diffraction grating. As a result, light traveling in the high refractive index portion is diffracted in the low refractive index portion and travels again in the high refractive index portion. As a result, a standing wave is generated between each lattice point.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分は2次元回折格子の格子点となる位置に形成されている。これにより、低屈折率部分を進む光が高屈折率部分において回折され、再び低屈折率部分内を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。   In the semiconductor laser device of the present invention, the high refractive index portion is preferably formed at a position that is a lattice point of the two-dimensional diffraction grating. As a result, light traveling through the low refractive index portion is diffracted at the high refractive index portion and travels again through the low refractive index portion. As a result, a standing wave is generated between each lattice point.

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、2次元回折格子は三角格子または正方格子の形状を有している。これらの格子を進む光は、複数回の回折を経て元の格子点の位置の戻るので、各格子点間に定在波が立ちやすい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the two-dimensional diffraction grating preferably has a triangular or square lattice shape. The light traveling through these gratings returns to the position of the original grating point through a plurality of diffractions, so that standing waves are likely to occur between the grating points.

上記製造方法において好ましくは、2次元回折格子を形成する工程は以下の工程を含んでいる。2次元回折格子を形成するための一の領域に低屈折率部分を形成する。低屈折率部分を形成する工程の後で、2次元回折格子を形成するための他の領域に高屈折率部分を形成する。これにより、低屈折率部分を形成した後で高屈折率部分を形成することができる。   Preferably in the manufacturing method, the step of forming the two-dimensional diffraction grating includes the following steps. A low refractive index portion is formed in one region for forming a two-dimensional diffraction grating. After the step of forming the low refractive index portion, the high refractive index portion is formed in another region for forming the two-dimensional diffraction grating. Thereby, the high refractive index portion can be formed after the low refractive index portion is formed.

上記製造方法において好ましくは、高屈折率部分を形成する工程において、高屈折率部分で低屈折率部分を完全に覆う。これにより、2次元回折格子に隣接する層を高屈折率部分と同じ材料で連続的に形成することができる。   Preferably, in the above manufacturing method, in the step of forming the high refractive index portion, the low refractive index portion is completely covered with the high refractive index portion. Thereby, the layer adjacent to the two-dimensional diffraction grating can be continuously formed of the same material as that of the high refractive index portion.

上記製造方法において好ましくは、2次元回折格子を形成する工程は以下の工程を含んでいる。2次元回折格子を形成するための一の領域に高屈折率部分を形成する。高屈折率部分を形成する工程の後で、2次元回折格子を形成するための他の領域に低屈折率部分を形成する。これにより、高屈折率部分を形成した後で低屈折率部分を形成することができる。   Preferably in the manufacturing method, the step of forming the two-dimensional diffraction grating includes the following steps. A high refractive index portion is formed in one region for forming a two-dimensional diffraction grating. After the step of forming the high refractive index portion, the low refractive index portion is formed in another region for forming the two-dimensional diffraction grating. Thereby, the low refractive index portion can be formed after the high refractive index portion is formed.

上記製造方法において好ましくは、低屈折率部分を形成する工程において、低屈折率部分で高屈折率部分を完全に覆う。これにより、2次元回折格子に隣接する層を低屈折率部分と同じ材料で連続的に形成することができる。   Preferably, in the above manufacturing method, in the step of forming the low refractive index portion, the high refractive index portion is completely covered with the low refractive index portion. Thereby, the layer adjacent to the two-dimensional diffraction grating can be continuously formed of the same material as the low refractive index portion.

上記製造方法において好ましくは、発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に発光層を形成する。かつ、2次元回折格子を形成する工程において、基板の一方の主面側における発光層よりも基板から離れた位置に2次元回折格子を形成する。これにより、発光層および2次元回折格子がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。   Preferably in the manufacturing method, in the step of forming the light emitting layer, the light emitting layer is formed on one main surface side of the substrate. In the step of forming the two-dimensional diffraction grating, the two-dimensional diffraction grating is formed at a position farther from the substrate than the light emitting layer on one main surface side of the substrate. Thus, the light emitting layer and the two-dimensional diffraction grating are formed in this order on one main surface side of the substrate.

上記製造方法において好ましくは、発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に発光層を形成する。かつ2次元回折格子を形成する工程において、基板の一方の主面側における発光層よりも基板に近い位置に2次元回折格子を形成する。これにより、2次元回折格子および発光層がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。   Preferably in the manufacturing method, in the step of forming the light emitting layer, the light emitting layer is formed on one main surface side of the substrate. In the step of forming the two-dimensional diffraction grating, the two-dimensional diffraction grating is formed at a position closer to the substrate than the light emitting layer on one main surface side of the substrate. Thereby, a two-dimensional diffraction grating and a light emitting layer are formed in this order on one main surface side of the substrate.

本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、半導体レーザ素子の性能を向上することができる。また、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。   According to the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof of the present invention, the performance of the semiconductor laser device can be improved. In addition, the reliability of the semiconductor laser element can be improved.

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図3は、本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の構成を示す図である。図1は斜視図、図2は上面図、図3は図1および図2のIII−III線に沿った断面図である。図1〜図3を参照して、始めに本実施の形態における半導体レーザ素子の構成について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
1-3 is a figure which shows the structure of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 1 is a perspective view, FIG. 2 is a top view, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIGS. With reference to FIGS. 1-3, the structure of the semiconductor laser element in this Embodiment is demonstrated first.

半導体レーザ素子1は、基板2と、n型クラッド層3と、ガイド層4と、活性層5と、p型電子ブロック層6と、2次元回折格子としてのフォトニック結晶層7と、p型クラッド層8と、p型コンタクト層9と、p型電極10と、n型電極11とを備えている。   The semiconductor laser device 1 includes a substrate 2, an n-type cladding layer 3, a guide layer 4, an active layer 5, a p-type electron block layer 6, a photonic crystal layer 7 as a two-dimensional diffraction grating, and a p-type. A clad layer 8, a p-type contact layer 9, a p-type electrode 10, and an n-type electrode 11 are provided.

基板2は、互いに対向する2つの上面21および下面22を有している。基板2の上面21側には、n型クラッド層3と、ガイド層4と、発光層としての活性層5と、p型電子ブロック層6とがこの順序で積層されて形成されている。これらの層は互いに隣接している。また、p型電子ブロック層6上にはフォトニック結晶層7が形成されている。フォトニック結晶層7は活性層5よりも基板2から離れた位置に形成されている。さらに、フォトニック結晶層7上には、p型クラッド層8と、p型コンタクト層9とがこの順序で積層されて形成されている。活性層5はn型クラッド層3とp型クラッド層8との間に挟まれている。基板2の上面21にはp型電極10が形成されており、基板2の下面22にはn型電極11が形成されている。p型電極10は、たとえば円形の平面形状を有しており、p型コンタクト層9の上面91の中央部においてp型コンタクト層9に接触している。n型電極11は、基板2の下面22と接触しており、たとえばその接触は全面にわたっている。   The substrate 2 has two upper surfaces 21 and a lower surface 22 that face each other. On the upper surface 21 side of the substrate 2, an n-type cladding layer 3, a guide layer 4, an active layer 5 as a light emitting layer, and a p-type electron block layer 6 are laminated in this order. These layers are adjacent to each other. A photonic crystal layer 7 is formed on the p-type electron block layer 6. The photonic crystal layer 7 is formed at a position farther from the substrate 2 than the active layer 5. Further, on the photonic crystal layer 7, a p-type cladding layer 8 and a p-type contact layer 9 are laminated in this order. The active layer 5 is sandwiched between the n-type cladding layer 3 and the p-type cladding layer 8. A p-type electrode 10 is formed on the upper surface 21 of the substrate 2, and an n-type electrode 11 is formed on the lower surface 22 of the substrate 2. The p-type electrode 10 has, for example, a circular planar shape, and is in contact with the p-type contact layer 9 at the central portion of the upper surface 91 of the p-type contact layer 9. The n-type electrode 11 is in contact with the lower surface 22 of the substrate 2, for example, the contact extends over the entire surface.

図4は、本発明の実施の形態1におけるフォトニック結晶層の構成を模式的に示す斜視図である。図4を参照して、フォトニック結晶層7は、高屈折率部分71と、低屈折率部分72とを有している。低屈折率部分72は、高屈折率部分71の屈折率よりも低い屈折率を有している。低屈折率部分72は複数であり、高屈折率部分71の内部において均一に分布している。図4において、フォトニック結晶層7は三角格子の形態の2次元回折格子を構成している。低屈折率部分72の各々は、三角格子の格子点13となる位置、言い換えれば正三角形の頂点の位置に形成されている。一つの格子点13の中心と、この格子点に隣接する6つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。   FIG. 4 is a perspective view schematically showing the configuration of the photonic crystal layer in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the photonic crystal layer 7 has a high refractive index portion 71 and a low refractive index portion 72. The low refractive index portion 72 has a refractive index lower than that of the high refractive index portion 71. There are a plurality of low refractive index portions 72, which are uniformly distributed inside the high refractive index portion 71. In FIG. 4, the photonic crystal layer 7 constitutes a two-dimensional diffraction grating in the form of a triangular grating. Each of the low refractive index portions 72 is formed at a position that becomes the lattice point 13 of the triangular lattice, in other words, at the position of the apex of the regular triangle. The distances between the center of one lattice point 13 and the centers of six lattice points adjacent to this lattice point are all equal.

高屈折率部分71および低屈折率部分72の各々はGaN成分を含んでおり、たとえばInyGa1-yN(0≦y<1)や、AlxGa1-xN(0≦x<1)や、AlxInyGa1-x-yN(0≦x<1、0≦y<1、0≦x+y≦1)などよりなっている。好ましくは、高屈折率部分71はInyGa1-yN(0≦y≦0.15)よりなっており、かつ低屈折率部分72はAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)よりなっている。また、高屈折率部分71と低屈折率部分72とは、高屈折率部分71の屈折率と低屈折率部分72の屈折率との差が0.04以上であるような組み合わせであることが好ましい。高屈折率部分71と低屈折率部分72との組み合わせとしては、たとえば、GaNとAlxGa1-xNとの組み合わせ(この場合、0<x<1)、InyGa1-yN(この場合、0<y<1)とGaNとの組み合わせ、またはInyGa1-yNとAlxGa1-xNとの組み合わせが挙げられる。 Each of the high refractive index portion 71 and the low refractive index portion 72 includes a GaN component. For example, In y Ga 1-y N (0 ≦ y <1) or Al x Ga 1-x N (0 ≦ x < 1), Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ x + y ≦ 1). Preferably, the high refractive index portion 71 is made of In y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.15), and the low refractive index portion 72 is made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0). .5). Further, the high refractive index portion 71 and the low refractive index portion 72 may be a combination in which the difference between the refractive index of the high refractive index portion 71 and the refractive index of the low refractive index portion 72 is 0.04 or more. preferable. As a combination of the high refractive index portion 71 and the low refractive index portion 72, for example, a combination of GaN and Al x Ga 1-x N (in this case, 0 <x <1), In y Ga 1-y N ( In this case, a combination of 0 <y <1) and GaN, or a combination of In y Ga 1-y N and Al x Ga 1-x N can be given.

図1〜図3を参照して、n型クラッド層3およびp型電子ブロック層6は、活性層5にキャリアを注入する層として機能する。このため、n型クラッド層3およびp型電子ブロック層6は、活性層5を挟むように設けられている。また、n型クラッド層3およびp型電子ブロック層6は、共に、活性層5にキャリア(電子および正孔)と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、n型クラッド層3、活性層5、およびp型電子ブロック層6は、ダブルヘテロ接合を形成している。このため、発光に寄与するキャリアを活性層5に集中させることができる。さらに、p型電子ブロック層6は、フォトニック結晶層7への電子の進入をブロックするブロック層としても機能する。これにより、フォトニック結晶層7内で電子と正孔とが非発光再結合するのを抑止することができる。   1 to 3, the n-type cladding layer 3 and the p-type electron block layer 6 function as layers for injecting carriers into the active layer 5. For this reason, the n-type cladding layer 3 and the p-type electron block layer 6 are provided so as to sandwich the active layer 5. The n-type cladding layer 3 and the p-type electron blocking layer 6 both function as confinement layers that confine carriers (electrons and holes) and light in the active layer 5. That is, the n-type cladding layer 3, the active layer 5, and the p-type electron block layer 6 form a double heterojunction. For this reason, carriers contributing to light emission can be concentrated in the active layer 5. Furthermore, the p-type electron block layer 6 also functions as a block layer that blocks the entry of electrons into the photonic crystal layer 7. Thereby, it is possible to suppress non-radiative recombination of electrons and holes in the photonic crystal layer 7.

p型クラッド層8は、活性層5にキャリアを注入する層として機能する。また、p型クラッド層8は、フォトニック結晶層7より下の層にキャリア(電子)と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。p型コンタクト層9は、p型電極10との接触をオーミック接触にするために形成される。ガイド層4は、活性層5の量子井戸内にキャリアと光とを閉じ込める役割を果たす。   The p-type cladding layer 8 functions as a layer for injecting carriers into the active layer 5. The p-type cladding layer 8 functions as a confinement layer for confining carriers (electrons) and light in a layer below the photonic crystal layer 7. The p-type contact layer 9 is formed to make ohmic contact with the p-type electrode 10. The guide layer 4 plays a role of confining carriers and light in the quantum well of the active layer 5.

基板2はたとえばn型GaN、SiC、またはサファイアなどよりなっており、特にGaNであることが好ましい。この場合、基板2の上面21はたとえば(0001)面であることが好ましい。n型クラッド層3はたとえばn型AlGaNよりなっており、ガイド層4はたとえばアンドープのGaNよりなっている。また、活性層5はたとえばInGaN/GaNよりなる多重量子井戸構造を有しており、p型電子ブロック層6およびp型クラッド層8はたとえばp型AlGaNよりなっており、p型コンタクト層9はたとえばp型GaNよりなっている。   The substrate 2 is made of, for example, n-type GaN, SiC, or sapphire, and is particularly preferably GaN. In this case, the upper surface 21 of the substrate 2 is preferably a (0001) plane, for example. The n-type cladding layer 3 is made of, for example, n-type AlGaN, and the guide layer 4 is made of, for example, undoped GaN. The active layer 5 has a multiple quantum well structure made of, for example, InGaN / GaN, the p-type electron block layer 6 and the p-type cladding layer 8 are made of, for example, p-type AlGaN, and the p-type contact layer 9 has For example, it is made of p-type GaN.

次に、本実施の形態における半導体レーザ素子の発光原理について説明する。
p型電極10とn型電極11との間に電圧を印加すると、p型電子ブロック層6およびp型クラッド層8から活性層5へ正孔が注入され、n型クラッド層3から活性層5へ電子が注入される。活性層5へ正孔および電子が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、活性層5が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。
Next, the light emission principle of the semiconductor laser element in this embodiment will be described.
When a voltage is applied between the p-type electrode 10 and the n-type electrode 11, holes are injected from the p-type electron blocking layer 6 and the p-type cladding layer 8 into the active layer 5, and the n-type cladding layer 3 to the active layer 5. Electrons are injected into. When holes and electrons are injected into the active layer 5, carrier recombination occurs and light is generated. The wavelength of the generated light is defined by the band gap of the semiconductor layer included in the active layer 5.

活性層5において発生された光は、n型クラッド層3と、p型電子ブロック層6およびp型クラッド層8とによって活性層5内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層7に到達する。フォトニック結晶層7に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層7が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において定在波が誘起される。   Light generated in the active layer 5 is confined in the active layer 5 by the n-type cladding layer 3, the p-type electron blocking layer 6 and the p-type cladding layer 8, but part of the light is photonic as evanescent light. The crystal layer 7 is reached. When the wavelength of the evanescent light that reaches the photonic crystal layer 7 coincides with the predetermined period of the photonic crystal layer 7, a standing wave is induced at the wavelength corresponding to the period.

このような現象は、活性層5およびフォトニック結晶層7が2次元的に広がりをもって形成されているので、p型電極10の真下の領域およびその付近の領域において生じうる。定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことが可能となる。   Such a phenomenon can occur in the region immediately below the p-type electrode 10 and in the vicinity thereof because the active layer 5 and the photonic crystal layer 7 are two-dimensionally widened. Laser oscillation can be caused by the feedback effect of standing waves.

フォトニック結晶層7(2次元回折格子)は、少なくとも2方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような2次元回折格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を三角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を六角格子とそれぞれ呼ぶ。   The photonic crystal layer 7 (two-dimensional diffraction grating) has a property of overlapping when translated in the same period in at least two directions. Such a two-dimensional diffraction grating is formed by arranging regular triangles, squares, or regular hexagons all over the surface and providing a lattice point at each vertex. Here, a lattice formed using a regular triangle is referred to as a triangular lattice, a lattice formed using a square is referred to as a square lattice, and a lattice formed using a regular hexagon is referred to as a hexagonal lattice.

図5は、三角格子における光の回折を説明するための図である。三角格子は、一辺の長さがaである正三角形によって埋め尽くされている。図5において、複数の格子点13のうち任意に選択された格子点Aに着目し、格子点Aから格子点Bに向かう方向をX−Γ方向と呼び、また格子点Aから格子点Cへ向かう方向をX−J方向と呼ぶ。本実施の形態では、活性層5(図3)において発生される光の波長がX−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。   FIG. 5 is a diagram for explaining light diffraction in a triangular lattice. The triangular lattice is filled with regular triangles whose side length is a. In FIG. 5, paying attention to a lattice point A arbitrarily selected from the plurality of lattice points 13, the direction from the lattice point A to the lattice point B is called the X-Γ direction, and from the lattice point A to the lattice point C. The direction to go is called the XJ direction. In the present embodiment, a case will be described in which the wavelength of light generated in the active layer 5 (FIG. 3) corresponds to a lattice period in the X-Γ direction.

2次元回折格子は、以下に説明する3個の1次元回折格子群L、M、Nを含むと考えることができる。1次元回折格子群Lは、Y軸方向に向けて設けられた1次元格子L1、L2、L3などからなっている。1次元回折格子群Mは、X軸方向に対して120度の角度を方向に向けて設けられた1次元格子M1、M2、M3などからなっている。1次元回折格子群Nは、X軸方向に対して60度の方向に向けて設けられた1次元格子N1、N2、N3などからなっている。これら3つの1次元回折格子群L,N,およびMは、任意の格子点を中心に120度の角度で回転すると重なりあう。各1次元回折格子群L,N,およびMにおいて、1次元格子間の間隔はdであり、1次元格子内の間隔はaである。 The two-dimensional diffraction grating can be considered to include three one-dimensional diffraction grating groups L, M, and N described below. The one-dimensional diffraction grating group L includes one-dimensional gratings L 1 , L 2 , L 3 and the like provided in the Y-axis direction. The one-dimensional diffraction grating group M is composed of one-dimensional gratings M 1 , M 2 , M 3 and the like provided with an angle of 120 degrees with respect to the X-axis direction. The one-dimensional diffraction grating group N is composed of one-dimensional gratings N 1 , N 2 , N 3 and the like provided in a direction of 60 degrees with respect to the X-axis direction. These three one-dimensional diffraction grating groups L, N, and M overlap when rotated at an angle of 120 degrees around an arbitrary grating point. In each one-dimensional diffraction grating group L, N, and M, the interval between the one-dimensional gratings is d, and the interval within the one-dimensional grating is a.

まず、格子群Lに関して考える。格子点Aから格子点Bの方向に進む光は、格子点Bにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件2d・sinθ=mλ(m=0、±1、・・)によって規定される。ここで、λは高屈折率部分71(図3)内における光の波長である。2次のブラッグ反射(m=±2)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ=±60゜、±120゜の角度に別の格子点D,E,F,およびGが存在する。また、m=0に対応する角度θ=0、180゜にも格子点AおよびKが存在する。   First, the lattice group L is considered. Light traveling in the direction from the lattice point A to the lattice point B causes a diffraction phenomenon at the lattice point B. The diffraction direction is defined by the Bragg condition 2d · sin θ = mλ (m = 0, ± 1,...). Here, λ is the wavelength of light in the high refractive index portion 71 (FIG. 3). When the diffraction grating is formed so as to satisfy the second-order Bragg reflection (m = ± 2), other grating points D, E, F, and θ at angles of θ = ± 60 °, ± 120 °, and G exists. There are also lattice points A and K at angles θ = 0 and 180 ° corresponding to m = 0.

格子点Bにおいて、たとえば格子点Dの方向に向けて回折された光は、格子点Dにおいて格子群Mに従って回折される。この回折は、格子群Lに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Dにおいて格子点Hに向けて回折される光は、格子群Nに従って回折される。このようにして順次、格子点H、格子点I、格子点Jと回折されていく。格子点Jから格子点Aに向けて回折される光は、格子群Nに従って回折される。   For example, light diffracted at the lattice point B in the direction of the lattice point D is diffracted according to the lattice group M at the lattice point D. This diffraction can be considered in the same manner as the diffraction phenomenon according to the grating group L. Next, the light diffracted toward the lattice point H at the lattice point D is diffracted according to the lattice group N. In this way, diffraction is sequentially performed at the lattice point H, the lattice point I, and the lattice point J. The light diffracted from the lattice point J toward the lattice point A is diffracted according to the lattice group N.

以上、説明したように、格子点Aから格子点Bに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Aに到達する。このため、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、この2次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。   As described above, the light traveling from the lattice point A to the lattice point B reaches the first lattice point A through a plurality of diffractions. For this reason, light traveling in a certain direction returns to the position of the original lattice point through a plurality of diffractions, so that a standing wave is generated between the lattice points. Therefore, this two-dimensional diffraction grating acts as an optical resonator, that is, a wavelength selector and a reflector.

また、上記ブラッグ条件2d・sinθ=mλ(m=0、±1、・・)において、mが奇数である条件でのブラッグ反射の方向は、θ=±90゜となる。これは、2次元回折格子の主面に対して垂直方向(図2中紙面に垂直な方向)にも回折が強くなることを意味している。これにより、2次元回折格子の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面である上面91(図1)から光を放出(面発光)させることができる。   In the Bragg condition 2d · sin θ = mλ (m = 0, ± 1,...), The Bragg reflection direction under the condition that m is an odd number is θ = ± 90 °. This means that the diffraction becomes stronger in the direction perpendicular to the main surface of the two-dimensional diffraction grating (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 2). Thereby, light can be emitted (surface emission) in a direction perpendicular to the main surface of the two-dimensional diffraction grating, that is, from the upper surface 91 (FIG. 1) which is a light emission surface.

さらに、この2次元回折格子では、上記の説明が任意の格子点Aにおいて行われたことを考慮すると、上記のような光の回折は2次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各X−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって2次元的に相互に結合していると考えられる。この2次元回折格子では、この2次元的結合によって3つのX−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。   Further, in this two-dimensional diffraction grating, considering that the above description is made at an arbitrary grating point A, the above-described light diffraction can occur at all the two-dimensionally arranged grating points. For this reason, it is considered that light propagating in each X-Γ direction is two-dimensionally coupled to each other by Bragg diffraction. In this two-dimensional diffraction grating, it is considered that the three X-Γ directions are coupled by the two-dimensional coupling to form a coherent state.

図6は、本発明の実施の形態1におけるフォトニック結晶層の他の構成を模式的に示す斜視図である。図6において、フォトニック結晶層7は正方格子の形態の2次元回折格子を構成している。低屈折率部分72の各々は、正方格子の格子点13となる位置、言い換えれば正方形の頂点の位置に形成されている。一つの格子点13の中心と、この格子点に隣接する8つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。   FIG. 6 is a perspective view schematically showing another configuration of the photonic crystal layer according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 6, the photonic crystal layer 7 constitutes a two-dimensional diffraction grating in the form of a square lattice. Each of the low refractive index portions 72 is formed at a position to be a lattice point 13 of a square lattice, in other words, at a vertex of a square. The distances between the center of one lattice point 13 and the centers of the eight lattice points adjacent to this lattice point are all equal.

図7は、正方格子における光の回折を説明するための図である。正方格子は、一辺の長さがdである正方形で埋め尽くされている。図7において、任意に選択された格子点Wに着目し、格子点Wから格子点Pに向かう方向をX−Γ方向と呼び、また格子点Wから格子点Qへ向かう方向X−J方向と呼ぶ。ここでは、活性層5(図3)において発生される光の波長がX−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。   FIG. 7 is a view for explaining light diffraction in a square lattice. The square lattice is filled with squares whose side length is d. In FIG. 7, paying attention to the arbitrarily selected lattice point W, the direction from the lattice point W to the lattice point P is called the X-Γ direction, and the direction from the lattice point W to the lattice point Q is the XJ direction. Call. Here, a case where the wavelength of light generated in the active layer 5 (FIG. 3) corresponds to the lattice period in the X-Γ direction will be described.

2次元回折格子は、以下に説明する2個の1次元回折格子群U、Vを含むと考えることができる。1次元回折格子群Uは、Y軸方向に向けて設けられた1次元格子U1、U2、U3などからなっている。1次元回折格子群Vは、X軸方向に向けて設けられた1次元格子V1、V2、V3などからなっている。これら2つの1次元回折格子群UおよびVは、任意の格子点を中心に90゜の角度で回転すると重なりあう。各1次元回折格子群UおよびVにおいて、1次元格子間の間隔はdであり、1次元格子内の間隔もdである。 The two-dimensional diffraction grating can be considered to include two one-dimensional diffraction grating groups U and V described below. The one-dimensional diffraction grating group U is composed of one-dimensional gratings U 1 , U 2 , U 3 and the like provided in the Y-axis direction. The one-dimensional diffraction grating group V includes one-dimensional gratings V 1 , V 2 , V 3 and the like provided in the X-axis direction. These two one-dimensional diffraction grating groups U and V overlap when rotated at an angle of 90 ° about an arbitrary grating point. In each one-dimensional diffraction grating group U and V, the interval between the one-dimensional gratings is d, and the interval within the one-dimensional grating is also d.

まず、格子群Uに関して考える。格子点Wから格子点Pの方向に進む光は、格子点Pにおいて回折現象を生じる。回折方向は、3角格子の場合と同様に、ブラッグ条件2d・sinθ=mλ(m=0、±1、・・)によって規定される。2次のブラッグ反射(m=±2)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ=±90゜の角度に別の格子点Q、Rが存在し、m=0に対応する角度θ=0、180゜にも格子点W、Sが存在する。   First, the lattice group U will be considered. Light traveling in the direction from the lattice point W to the lattice point P causes a diffraction phenomenon at the lattice point P. The diffraction direction is defined by the Bragg condition 2d · sin θ = mλ (m = 0, ± 1,...) As in the case of the triangular grating. When the diffraction grating is formed so as to satisfy the second-order Bragg reflection (m = ± 2), there are other grating points Q and R at an angle θ = ± 90 °, and m = 0. There are also lattice points W and S at corresponding angles θ = 0 and 180 °.

格子点Pにおいて格子点Qの方向に向けて回折された光は、格子点Qにおいて格子群Vに従って回折される。この回折は、格子群Uに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Qにおいて格子点Tに向けて回折される光は、格子群Uに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Tから格子点Wに向けて回折される光は、格子群Vに従って回折される。   The light diffracted toward the lattice point Q at the lattice point P is diffracted according to the lattice group V at the lattice point Q. This diffraction can be considered in the same manner as the diffraction phenomenon according to the grating group U. Next, the light diffracted toward the lattice point T at the lattice point Q is diffracted according to the lattice group U. In this way, the light is sequentially diffracted. The light diffracted from the lattice point T toward the lattice point W is diffracted according to the lattice group V.

以上、説明したように、格子点Wから格子点Pに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Wに到達する。このため、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、この2次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。   As described above, the light traveling from the lattice point W to the lattice point P reaches the first lattice point W through a plurality of diffractions. For this reason, in the semiconductor laser device of the present embodiment, light traveling in a certain direction returns to the position of the original lattice point through a plurality of diffractions, so that a standing wave is generated between the lattice points. Therefore, this two-dimensional diffraction grating acts as an optical resonator, that is, a wavelength selector and a reflector.

次に、本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
始めに図8を参照して、たとえばGaN、SiC、またはサファイアなどよりなる基板2を準備する。そして、たとえばMOCVD(Metal-organic chemical vapor deposition:有機金属気相成長)法を用いて、n型クラッド層3、ガイド層4、活性層5、およびp型電子ブロック層6をこの順序で基板2の上面21側にエピタキシャル成長させる。なお、図示しないが、基板2の直上にバッファ層を形成し、このバッファ層の上にn型クラッド層3を形成してもよい。この場合にはバッファ層によって各層の結晶性を向上することができる。
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser element in the present embodiment will be described.
First, referring to FIG. 8, a substrate 2 made of, for example, GaN, SiC, or sapphire is prepared. Then, the n-type cladding layer 3, the guide layer 4, the active layer 5, and the p-type electron block layer 6 are formed in this order using, for example, MOCVD (Metal-organic chemical vapor deposition). Is epitaxially grown on the upper surface 21 side. Although not shown, a buffer layer may be formed directly on the substrate 2 and the n-type cladding layer 3 may be formed on the buffer layer. In this case, the crystallinity of each layer can be improved by the buffer layer.

次に図9を参照して、p型電子ブロック層6上全体に低屈折率部分(たとえばAlxGa1-xN)よりなる層72aを形成する。そして、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有するレジスト300を層72a上に形成する。具体的には、層72aの上面全体にEB(電子ビーム)露光用レジストを一旦塗布し、このレジストの所望の領域をEBで露光した後、レジストを現像する。 Next, referring to FIG. 9, a layer 72 a made of a low refractive index portion (for example, Al x Ga 1-x N) is formed on the entire p-type electron block layer 6. Then, a resist 300 having a predetermined pattern is formed on the layer 72a by an electron beam lithography technique. Specifically, a resist for EB (electron beam) exposure is once applied to the entire upper surface of the layer 72a, a desired region of the resist is exposed with EB, and then the resist is developed.

次に図10を参照して、レジスト300をマスクとして層72aをエッチングする。これにより、2次元回折格子の格子点となる領域のみに低屈折率部分72が形成され、他の領域の層72aは除去される。その後レジスト300を除去する。   Next, referring to FIG. 10, layer 72a is etched using resist 300 as a mask. As a result, the low refractive index portion 72 is formed only in the region serving as the lattice point of the two-dimensional diffraction grating, and the layer 72a in the other region is removed. Thereafter, the resist 300 is removed.

図11は図10に示す工程における低屈折率部分を模式的に示す斜視図である。図11を参照して、複数の低屈折率部分72の各々は円柱形状を有しており、2次元回折格子の格子点となる領域に形成されている。   FIG. 11 is a perspective view schematically showing a low refractive index portion in the step shown in FIG. Referring to FIG. 11, each of the plurality of low refractive index portions 72 has a cylindrical shape, and is formed in a region to be a lattice point of a two-dimensional diffraction grating.

なお、上記においては、レジスト300をマスクとして層72aをエッチングする場合について示したが、レジスト300の代わりにたとえばSiNなどの絶縁膜や、多層の材料をマスクとして用いてもよい。   Although the case where the layer 72a is etched using the resist 300 as a mask has been described above, an insulating film such as SiN or a multilayer material may be used as a mask instead of the resist 300.

次に、p型電子ブロック層6の表面をクリーニングした後、MOCVD法を用いて、高屈折率部分71をp型電子ブロック層6上に形成する。図12(a)〜(f)は、本発明の実施の形態1における高屈折率部分の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図12(a)〜(f)は図10におけるA部に対応している。   Next, after cleaning the surface of the p-type electron block layer 6, the high refractive index portion 71 is formed on the p-type electron block layer 6 by MOCVD. FIGS. 12A to 12F are schematic diagrams sequentially illustrating the growth of the high refractive index portion in the first embodiment of the present invention. 12A to 12F correspond to the A part in FIG.

図12(a)〜(f)を参照して、たとえば減圧雰囲気でGaNよりなる高屈折率部分71をエピタキシャル成長させる。すると、低屈折率部分72の側面にはほとんど核形成が起きず、低屈折率部分72の側面からはGaNは成長(成長方向が上下方向ではない異常成長)しない。このため、露出しているp型電子ブロック層6の表面および低屈折率部分72の上面74からのみGaN(高屈折率部分71)が選択的にエピタキシャル成長する((a)→(b))。GaNは図中上方向に成長する。このとき、低屈折率部分72の上部では原料ガスの逃げが大きいため、低屈折率部分72の上面74からのGaNの成長速度よりもp型電子ブロック層6の表面からのGaNの成長速度の方が速い。減圧下で成長させるほうがこの現象の影響は大きい。低屈折率部分72同士の間がGaNによって完全に埋められると、低屈折率部分72の上面74のGaNは図中上方向への成長を続けながら、図中横方向に成長する((b)→(c))。GaNの上面がほぼ平坦になるまで図中横方向への成長を続けた後((c)→(d)→(e))、GaNは再び上方向にのみ成長する((e)→(f))。これにより、図14に示すように、低屈折率部分72が高屈折率部分71で完全に覆われる。なお、低屈折率部分72の上面74からのGaNの成長を抑制したり、フォトニック結晶層7よりも上のGaNを除去したりすることにより、図13に示すように、フォトニック結晶層7上にGaNを形成しなくてもよい。   Referring to FIGS. 12A to 12F, for example, a high refractive index portion 71 made of GaN is epitaxially grown in a reduced pressure atmosphere. Then, almost no nucleation occurs on the side surface of the low refractive index portion 72, and GaN does not grow from the side surface of the low refractive index portion 72 (abnormal growth in which the growth direction is not the vertical direction). For this reason, GaN (high refractive index portion 71) is selectively epitaxially grown only from the exposed surface of the p-type electron block layer 6 and the upper surface 74 of the low refractive index portion 72 ((a) → (b)). GaN grows upward in the figure. At this time, since the escape of the source gas is large above the low refractive index portion 72, the growth rate of GaN from the surface of the p-type electron block layer 6 is higher than the growth rate of GaN from the upper surface 74 of the low refractive index portion 72. It ’s faster. The effect of this phenomenon is greater when grown under reduced pressure. When the space between the low refractive index portions 72 is completely filled with GaN, the GaN on the upper surface 74 of the low refractive index portion 72 grows in the lateral direction in the figure while continuing to grow in the upward direction in the figure ((b)). → (c)). After continuing the growth in the lateral direction in the figure until the upper surface of GaN becomes almost flat ((c) → (d) → (e)), GaN grows only in the upward direction again ((e) → (f )). Thereby, as shown in FIG. 14, the low refractive index portion 72 is completely covered with the high refractive index portion 71. Note that by suppressing the growth of GaN from the upper surface 74 of the low refractive index portion 72 or by removing GaN above the photonic crystal layer 7, as shown in FIG. GaN does not have to be formed thereon.

次に図3を参照して、たとえばMOCVD法を用いて、p型クラッド層8およびp型コンタクト層9をフォトニック結晶層7上にエピタキシャル成長させる。その後、p型コンタクト層9の上面91にp型電極10を形成し、基板2の下面22側にn型電極11を形成し、半導体レーザ素子1が完成する。   Next, referring to FIG. 3, p-type cladding layer 8 and p-type contact layer 9 are epitaxially grown on photonic crystal layer 7 by using, for example, MOCVD. Thereafter, the p-type electrode 10 is formed on the upper surface 91 of the p-type contact layer 9, and the n-type electrode 11 is formed on the lower surface 22 side of the substrate 2, whereby the semiconductor laser device 1 is completed.

本願発明者らは、フォトニック結晶層の高屈折率部分にGaN系材料を採用し、かつ低屈折率部分としてSiO2などの物質を採用した従来の場合には、高屈折率部分と低屈折率部分との間に大きな格子不整合が発生することを見出した。また、フォトニック結晶層形成の際および形成後には、1000℃レベルの高温の熱処理がフォトニック結晶層に施されるため、高屈折率部分と低屈折率部分との間に、熱膨張係数の差に起因する応力および歪みが発生することを見出した。そして、これらの格子不整合、応力、および歪みが、レーザ発光のための活性層の特性を劣化させ、ひいては半導体レーザ素子の特性を低下させることを見出した。加えて、低屈折率部分としてSiO2などの物質を採用した場合には、SiO2などの材料を構成する元素(たとえばシリコン)が高屈折率部分や活性層などの近傍の層へ拡散し、半導体レーザ素子の信頼性を低下させることを見出した。 In the conventional case where the GaN-based material is used for the high refractive index portion of the photonic crystal layer and a substance such as SiO 2 is used as the low refractive index portion, the inventors of the present application have a high refractive index portion and a low refractive index portion. It was found that a large lattice mismatch occurs between the rate part and the rate part. Further, during and after the formation of the photonic crystal layer, a heat treatment at a high temperature of 1000 ° C. is applied to the photonic crystal layer, so that the thermal expansion coefficient is between the high refractive index portion and the low refractive index portion. It has been found that stress and strain due to the difference occur. Further, it has been found that these lattice mismatches, stresses, and strains deteriorate the characteristics of the active layer for laser emission and, consequently, the characteristics of the semiconductor laser element. In addition, when a substance such as SiO 2 is used as the low refractive index portion, an element (for example, silicon) constituting the material such as SiO 2 diffuses to a nearby layer such as the high refractive index portion or the active layer, It has been found that the reliability of the semiconductor laser element is lowered.

そこで、本実施の形態における半導体レーザ素子1においては、フォトニック結晶層7を構成する高屈折率部分71と低屈折率部分72との各々が、GaN成分を含む材料(GaN系材料)により形成されている。これにより、高屈折率部分71の結晶構造と低屈折率部分72の結晶構造とが近くなるため、高屈折率部分71と低屈折率部分72との間の格子不整合が緩和される。また、高屈折率部分の熱膨張係数と低屈折率部分の熱膨張係数とが近くなるため、熱膨張係数の差に起因する応力および歪みが発生しにくくなる。その結果、活性層5の特性を向上することができ、半導体レーザ素子1の特性を向上することができる。加えて、低屈折率部分72がGaN成分を含む材料よりなっているので、低屈折率部分72の元素の拡散により高屈折率部分71や活性層5が悪影響を受けることがない。その結果、半導体レーザ素子1の信頼性を向上することができる。   Therefore, in the semiconductor laser device 1 according to the present embodiment, each of the high refractive index portion 71 and the low refractive index portion 72 constituting the photonic crystal layer 7 is formed of a material containing a GaN component (GaN-based material). Has been. Thereby, since the crystal structure of the high refractive index portion 71 and the crystal structure of the low refractive index portion 72 are close to each other, the lattice mismatch between the high refractive index portion 71 and the low refractive index portion 72 is alleviated. In addition, since the thermal expansion coefficient of the high refractive index portion and the thermal expansion coefficient of the low refractive index portion are close to each other, stress and strain due to the difference in the thermal expansion coefficient are less likely to occur. As a result, the characteristics of the active layer 5 can be improved, and the characteristics of the semiconductor laser device 1 can be improved. In addition, since the low refractive index portion 72 is made of a material containing a GaN component, the high refractive index portion 71 and the active layer 5 are not adversely affected by the diffusion of elements in the low refractive index portion 72. As a result, the reliability of the semiconductor laser element 1 can be improved.

ここで、一般的にフォトニック結晶層においては、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が大きいほど、フォトニック結晶層の特性が向上する。このことに鑑みると、GaN系材料は物性が互いに類似しているため、本実施の形態のように高屈折率部分と低屈折率部分との各々をGaN系材料で形成した場合には、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が小さくなり、フォトニック結晶層の特性が低下することが懸念される。しかしながら、本願発明者らは、高屈折率部分と低屈折率部分との各々をGaN系材料で形成した場合であっても、フォトニック結晶層の特性の低下はきわめて小さいことを見出した。特に、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が0.04以上であれば、フォトニック結晶としての光回折効果が十分に得られることが分かった。   Here, in general, in the photonic crystal layer, the larger the refractive index difference between the high refractive index portion and the low refractive index portion, the better the characteristics of the photonic crystal layer. In view of this, since the physical properties of the GaN-based material are similar to each other, when each of the high refractive index portion and the low refractive index portion is formed of a GaN-based material as in the present embodiment, There is a concern that the refractive index difference between the refractive index portion and the low refractive index portion becomes small, and the characteristics of the photonic crystal layer deteriorate. However, the inventors of the present application have found that the deterioration of the characteristics of the photonic crystal layer is extremely small even when each of the high refractive index portion and the low refractive index portion is formed of a GaN-based material. In particular, it was found that if the difference in refractive index between the high refractive index portion and the low refractive index portion is 0.04 or more, the light diffraction effect as a photonic crystal can be sufficiently obtained.

実際に、屈折率差が0.02であるフォトニック結晶層と、0.04であるフォトニック結晶層とを作成して光反射測定を実施した。その結果、屈折率差が0.04のフォトニック結晶層においては、屈折率差が0.02のフォトニック結晶層に比べて、フォトニック結晶の格子定数に対応した明瞭で鋭い回折ピークスペクトルが、フォトニック結晶面に垂直な方向に観測された。   Actually, a photonic crystal layer having a refractive index difference of 0.02 and a photonic crystal layer having a refractive index difference of 0.04 were prepared, and light reflection measurement was performed. As a result, the photonic crystal layer having a refractive index difference of 0.04 has a clear and sharp diffraction peak spectrum corresponding to the lattice constant of the photonic crystal, compared to the photonic crystal layer having a refractive index difference of 0.02. Observed in a direction perpendicular to the photonic crystal plane.

特に、フォトニック結晶層を備えたGaN系材料よりなる半導体レーザ素子においては、発光波長が短波長であり、エバネッセント光の存在範囲が限られている。したがって、半導体レーザ素子の特性を向上するためには、活性層とフォトニック結晶層とを近接させ、なるべく多くのエバネッセント光をフォトニック結晶層に到達させることが重要である。このことからも、フォトニック結晶層の格子不整合、応力、および歪みを抑制し、これらに起因する活性層の特性劣化を防ぐことは重要である。   In particular, in a semiconductor laser element made of a GaN-based material provided with a photonic crystal layer, the emission wavelength is short, and the existence range of evanescent light is limited. Therefore, in order to improve the characteristics of the semiconductor laser element, it is important to bring the active layer and the photonic crystal layer close to each other so that as much evanescent light as possible reaches the photonic crystal layer. For this reason as well, it is important to suppress lattice mismatch, stress, and strain of the photonic crystal layer and to prevent deterioration of the characteristics of the active layer due to these.

また、InyGa1-yN(0≦y<1)およびAlxGa1-xN(0≦x<1)は、物性が特に互いに類似しているので、高屈折率部分71および低屈折率部分72の各々をこれらの材料で形成することにより、フォトニック結晶層7の格子不整合、応力、および歪みを一層抑制することができる。特に、高屈折率部分71をInyGa1-yN(0≦y≦0.15)で形成し、かつ低屈折率部分72をAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)で形成することにより、高屈折率部分71と低屈折率部分72との屈折率差を保ちながら、高屈折率部分71の格子定数と低屈折率部分72の格子定数とを一層近づけることができる。 Further, since In y Ga 1-y N (0 ≦ y <1) and Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) are similar in physical properties to each other, the high refractive index portion 71 and the low refractive index portion 71 are low. By forming each of the refractive index portions 72 with these materials, lattice mismatch, stress, and strain of the photonic crystal layer 7 can be further suppressed. In particular, the high refractive index portion 71 is formed of In y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.15), and the low refractive index portion 72 is formed of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5). ), The lattice constant of the high refractive index portion 71 and the lattice constant of the low refractive index portion 72 can be made closer to each other while the refractive index difference between the high refractive index portion 71 and the low refractive index portion 72 is maintained. it can.

また、GaNよりなる基板2を用いることで、フォトニック結晶層7および活性層5の転位密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、GaNよりなる基板は導電性を有するので、基板2にn型電極11を直接取り付けることで基板を介して電流を注入することができ、高電流密度の電流を発光層内へ注入することができる。   Further, by using the substrate 2 made of GaN, the dislocation density of the photonic crystal layer 7 and the active layer 5 can be reduced, and the flatness can be improved. Further, since the substrate made of GaN has conductivity, it is possible to inject current through the substrate by directly attaching the n-type electrode 11 to the substrate 2, and to inject current with high current density into the light emitting layer. Can do.

また、フォトニック結晶層7は活性層5よりも基板2から離れた位置に形成されているので、活性層5およびフォトニック結晶層7がこの順序で、基板2の上面21側に形成される。   Further, since the photonic crystal layer 7 is formed at a position farther from the substrate 2 than the active layer 5, the active layer 5 and the photonic crystal layer 7 are formed on the upper surface 21 side of the substrate 2 in this order. .

また、低屈折率部分72は2次元回折格子の格子点となる位置に形成されているので、高屈折率部分71内を進む光が低屈折率部分72において回折され、再び高屈折率部分71を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。   Further, since the low refractive index portion 72 is formed at a position to be a lattice point of the two-dimensional diffraction grating, the light traveling in the high refractive index portion 71 is diffracted by the low refractive index portion 72 and again the high refractive index portion 71. Continue on. As a result, a standing wave is generated between each lattice point.

また、フォトニック結晶層7は三角格子または正方格子の形状を有している。これらの格子を進む光は、複数回の回折を経て元の格子点の位置の戻るので、各格子点間に定在波が立ちやすい。   The photonic crystal layer 7 has a triangular or square lattice shape. The light traveling through these gratings returns to the position of the original grating point through a plurality of diffractions, so that standing waves are likely to occur between the grating points.

また、低屈折率部分72を形成した後で高屈折率部分71を形成することができる。さらに、高屈折率部分71で低屈折率部分72を完全に覆う場合には、フォトニック結晶層7に隣接する層を高屈折率部分71と同じ材料で連続的に形成することができる。   Further, the high refractive index portion 71 can be formed after the low refractive index portion 72 is formed. Further, when the low refractive index portion 72 is completely covered with the high refractive index portion 71, the layer adjacent to the photonic crystal layer 7 can be continuously formed of the same material as the high refractive index portion 71.

なお、本実施の形態における半導体レーザ素子1の構成および製造方法はあくまでも一例であり、本発明の半導体レーザ素子は、少なくとも2次元回折格子と発光層とを備えており、2次元回折格子の高屈折率部分および低屈折率部分の各々は窒化ガリウム成分を含んでいればよい。   Note that the configuration and manufacturing method of the semiconductor laser device 1 in the present embodiment are merely an example, and the semiconductor laser device of the present invention includes at least a two-dimensional diffraction grating and a light emitting layer, and is high in the two-dimensional diffraction grating. Each of the refractive index portion and the low refractive index portion only needs to contain a gallium nitride component.

(実施の形態2)
本実施の形態においては、実施の形態1における半導体レーザ素子の製造方法の変形例について説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a modified example of the method for manufacturing the semiconductor laser element in the first embodiment will be described.

始めに、図8に示す実施の形態1の製造方法と同様の製造方法を用いて、n型クラッド層3、ガイド層4、活性層5、およびp型電子ブロック層6を基板2の上面21上に形成する。   First, the n-type cladding layer 3, the guide layer 4, the active layer 5, and the p-type electron block layer 6 are formed on the upper surface 21 of the substrate 2 by using a manufacturing method similar to that of the first embodiment shown in FIG. Form on top.

次に図15を参照して、p型電子ブロック層6上全体に高屈折率部分(GaN)よりなる層71aを形成する。そして、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有するレジスト310を層71a上に形成する。   Next, referring to FIG. 15, a layer 71 a made of a high refractive index portion (GaN) is formed on the entire p-type electron block layer 6. Then, a resist 310 having a predetermined pattern is formed on the layer 71a by an electron beam lithography technique.

次に図16を参照して、レジスト310をマスクとして層71aをエッチングする。これにより、2次元回折格子の格子点となる領域の層71aが除去され、この領域に孔76が形成される。これにより、高屈折率部分71が形成される。る。その後レジスト310を除去する。   Next, referring to FIG. 16, layer 71a is etched using resist 310 as a mask. As a result, the layer 71a in the region serving as the lattice point of the two-dimensional diffraction grating is removed, and a hole 76 is formed in this region. Thereby, the high refractive index portion 71 is formed. The Thereafter, the resist 310 is removed.

次に、p型電子ブロック層6の表面をクリーニングした後、MOCVD法を用いて、低屈折率部分72をp型電子ブロック層6上に形成する。図17(a)〜(f)は、本発明の実施の形態2における低屈折率部分の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図17(a)〜(f)は図16におけるB部に対応している。   Next, after the surface of the p-type electron block layer 6 is cleaned, the low refractive index portion 72 is formed on the p-type electron block layer 6 by MOCVD. FIGS. 17A to 17F are schematic views sequentially illustrating the growth of the low refractive index portion in the second embodiment of the present invention. 17A to 17F correspond to the portion B in FIG.

図17(a)〜(f)を参照して、たとえば減圧雰囲気でGaNよりなる低屈折率部分72をエピタキシャル成長させる。すると、高屈折率部分71の側面にはほとんど核形成が起きず、高屈折率部分71の側面からはGaNは成長(成長方向が上下方向ではない異常成長)しない。このため、露出しているp型電子ブロック層6の表面および高屈折率部分71の上面77からのみGaN(低屈折率部分72)が選択的にエピタキシャル成長する((a)→(b))。GaNは図中上方向に成長する。このとき、孔76内に原料ガスが吹き溜まるため、高屈折率部分71の上面77からのGaNの成長速度よりもp型電子ブロック層6の表面からのGaNの成長速度の方が速い。減圧下で成長させるほうがこの現象の影響は大きい。高屈折率部分71同士の間がGaNによって完全に埋められると、高屈折率部分71の上面77のGaNは図中上方向への成長を続けながら、図中横方向にも成長する((b)→(c))。GaNの上面がほぼ平坦になるまで図中横方向への成長を続けた後((c)→(d)→(e))、GaNは再び上方向にのみ成長する((e)→(f))。これにより、高屈折率部分71が低屈折率部分72で完全に覆われる。なお、高屈折率部分71の上面77からのGaNの成長を抑制したり、フォトニック結晶層8よりも上のGaNを除去したりすることにより、図18に示すように、フォトニック結晶層7上にGaNを形成しなくてもよい。   Referring to FIGS. 17A to 17F, for example, a low refractive index portion 72 made of GaN is epitaxially grown in a reduced pressure atmosphere. Then, nucleation hardly occurs on the side surface of the high refractive index portion 71, and GaN does not grow from the side surface of the high refractive index portion 71 (abnormal growth in which the growth direction is not the vertical direction). For this reason, GaN (low refractive index portion 72) is selectively epitaxially grown only from the exposed surface of the p-type electron blocking layer 6 and the upper surface 77 of the high refractive index portion 71 ((a) → (b)). GaN grows upward in the figure. At this time, since the source gas is accumulated in the hole 76, the growth rate of GaN from the surface of the p-type electron blocking layer 6 is faster than the growth rate of GaN from the upper surface 77 of the high refractive index portion 71. The effect of this phenomenon is greater when grown under reduced pressure. When the space between the high refractive index portions 71 is completely filled with GaN, the GaN on the upper surface 77 of the high refractive index portion 71 continues to grow in the upward direction in the drawing and also grows in the lateral direction in the drawing ((b ) → (c)). After continuing the growth in the lateral direction in the figure until the upper surface of GaN becomes almost flat ((c) → (d) → (e)), GaN grows only in the upward direction again ((e) → (f )). As a result, the high refractive index portion 71 is completely covered with the low refractive index portion 72. In addition, by suppressing the growth of GaN from the upper surface 77 of the high refractive index portion 71 or by removing GaN above the photonic crystal layer 8, as shown in FIG. GaN does not have to be formed thereon.

その後、実施の形態1の製造方法と同様の製造方法を用いて、p型クラッド層8、p型コンタクト層9、p型電極10、およびn型電極11を形成し、図3に示す半導体レーザ素子1が完成する。   Thereafter, the p-type cladding layer 8, the p-type contact layer 9, the p-type electrode 10, and the n-type electrode 11 are formed using the same manufacturing method as that of the first embodiment, and the semiconductor laser shown in FIG. Element 1 is completed.

本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法によれば、実施の形態1の半導体レーザ素子の製造方法と同様の効果を得ることができる。   According to the manufacturing method of the semiconductor laser device in the present embodiment, the same effect as that of the manufacturing method of the semiconductor laser device in the first embodiment can be obtained.

加えて、高屈折率部分71を形成した後で低屈折率部分72を形成することができる。さらに、低屈折率部分72で高屈折率部分71を完全に覆う場合には、フォトニック結晶層7に隣接する層を低屈折率部分72と同じ材料で連続的に形成することができる。   In addition, the low refractive index portion 72 can be formed after the high refractive index portion 71 is formed. Furthermore, when the high refractive index portion 71 is completely covered with the low refractive index portion 72, the layer adjacent to the photonic crystal layer 7 can be continuously formed of the same material as the low refractive index portion 72.

(実施の形態3)
図18は、本発明の実施の形態3における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図19は、本発明の実施の形態3におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。図18および図19を参照して、本実施の形態の半導体レーザ素子1aにおいては、フォトニック結晶層7aの構造が、図4に示す実施の形態1のフォトニック結晶層の構造と異なっている。すなわち、本実施の形態におけるフォトニック結晶層7aにおいて、高屈折率部分71は複数であり、低屈折率部分72の内部において均一に分布している。高屈折率部分71の各々は、三角格子の格子点13となる位置、言い換えれば三角形の頂点の位置に形成されている。
(Embodiment 3)
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser element according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 19 is a perspective view showing the configuration of the photonic crystal layer according to Embodiment 3 of the present invention. Referring to FIGS. 18 and 19, in semiconductor laser device 1a of the present embodiment, the structure of photonic crystal layer 7a is different from the structure of the photonic crystal layer of the first embodiment shown in FIG. . That is, in the photonic crystal layer 7 a in the present embodiment, there are a plurality of high refractive index portions 71 and they are uniformly distributed inside the low refractive index portion 72. Each of the high refractive index portions 71 is formed at a position that becomes the lattice point 13 of the triangular lattice, in other words, at the position of the apex of the triangle.

なお、これ以外の半導体レーザ素子1aの構成は、図3に示す実施の形態1における半導体レーザ素子の構成と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。   Since the other configuration of the semiconductor laser element 1a is the same as that of the semiconductor laser element in the first embodiment shown in FIG. 3, the same reference numerals are given to the same members, and the description thereof will not be repeated. .

本実施の形態における半導体レーザ素子1aによれば、実施の形態1の半導体レーザ素子と同様の効果を得ることができる。   According to the semiconductor laser device 1a in the present embodiment, the same effect as that of the semiconductor laser device in the first embodiment can be obtained.

加えて、高屈折率部分71が2次元回折格子の格子点となる位置に形成されているので、低屈折率部分72を進む光が高屈折率部分71において回折され、再び低屈折率部分72を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。   In addition, since the high refractive index portion 71 is formed at a position to be a lattice point of the two-dimensional diffraction grating, the light traveling through the low refractive index portion 72 is diffracted by the high refractive index portion 71 and is again low. Continue on. As a result, a standing wave is generated between each lattice point.

なお、本実施の形態においては、高屈折率部分71が三角格子の格子点となる位置に形成されている場合について示したが、本発明においてはこのような場合の他、高屈折率部分71が正方格子の格子点となる位置に形成されていてもよい。   In the present embodiment, the case where the high refractive index portion 71 is formed at a position that is a lattice point of a triangular lattice has been described. However, in the present invention, in addition to such a case, the high refractive index portion 71 is also provided. May be formed at a position that becomes a lattice point of a square lattice.

(実施の形態4)
図20は、本発明の実施の形態4における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図20を参照して、本実施の形態における半導体レーザ素子1bにおいては、フォトニック結晶層7の(図中縦方向)の位置が、図4に示す実施の形態1におけるフォトニック結晶層の位置と異なっている。すなわち、本実施の形態におけるフォトニック結晶層7はn型クラッド層3上に形成されており、ガイド層4、活性層5、およびp型電子ブロック層6は、フォトニック結晶層7上にこの順序で形成されている。フォトニック結晶層7は活性層5よりも基板2に近い位置に形成されている。
(Embodiment 4)
FIG. 20 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser element in the fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 20, in the semiconductor laser element 1b in the present embodiment, the position of the photonic crystal layer 7 (vertical direction in the figure) is the position of the photonic crystal layer in the first embodiment shown in FIG. Is different. That is, the photonic crystal layer 7 in the present embodiment is formed on the n-type cladding layer 3, and the guide layer 4, the active layer 5, and the p-type electron block layer 6 are formed on the photonic crystal layer 7. Formed in order. The photonic crystal layer 7 is formed at a position closer to the substrate 2 than the active layer 5.

本実施の形態における半導体レーザ素子1bは以下の方法により製造される。始めに図21を参照して、n型クラッド層3を基板2の上面21側にエピタキシャル成長させる。次に、図9〜図13に示す実施の形態1と同様の方法を用いて、n型クラッド層3上にフォトニック結晶層7を形成する。フォトニック結晶層7は、基板2の上面21側における、活性層5よりも基板2に近い位置に形成される。   Semiconductor laser device 1b in the present embodiment is manufactured by the following method. First, referring to FIG. 21, n-type cladding layer 3 is epitaxially grown on the upper surface 21 side of substrate 2. Next, the photonic crystal layer 7 is formed on the n-type cladding layer 3 using the same method as in the first embodiment shown in FIGS. The photonic crystal layer 7 is formed at a position closer to the substrate 2 than the active layer 5 on the upper surface 21 side of the substrate 2.

次に図22を参照して、ガイド層4、活性層5、およびp型電子ブロック層6をこの順序でフォトニック結晶層7上にエピタキシャル成長させる。その後、実施の形態1と同様の方法を用いて、p型クラッド層8、p型コンタクト層9、p型電極10、およびn型電極11を形成し、図20に示す半導体レーザ素子1bが完成する。   Next, referring to FIG. 22, the guide layer 4, the active layer 5, and the p-type electron block layer 6 are epitaxially grown on the photonic crystal layer 7 in this order. Thereafter, a p-type cladding layer 8, a p-type contact layer 9, a p-type electrode 10, and an n-type electrode 11 are formed using the same method as in the first embodiment, and the semiconductor laser device 1b shown in FIG. 20 is completed. To do.

本実施の形態における半導体レーザ素子1bおよびその製造方法によれば、実施の形態1における半導体レーザ素子およびその製造方法と同様の効果を得ることができる。   According to the semiconductor laser device 1b and the manufacturing method thereof in the present embodiment, the same effects as those of the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof in the first embodiment can be obtained.

加えて、フォトニック結晶層7が活性層5よりも基板2に近い位置に形成されているので、フォトニック結晶層7および活性層5がこの順序で、基板2の上面21側に形成される。   In addition, since the photonic crystal layer 7 is formed at a position closer to the substrate 2 than the active layer 5, the photonic crystal layer 7 and the active layer 5 are formed on the upper surface 21 side of the substrate 2 in this order. .

なお、本実施の形態においては、低屈折率部分72が格子点となる位置に形成されている場合について示したが、本発明においてはこのような場合の他、高屈折率部分71が格子点となる位置に形成されていてもよい。   In the present embodiment, the case where the low refractive index portion 72 is formed at a position that becomes a lattice point has been described. However, in the present invention, in addition to such a case, the high refractive index portion 71 has a lattice point. It may be formed in the position.

本実施例では、図3に示す実施の形態1の半導体レーザ素子を製造し、その特性を評価した。具体的には、MOCVD法を用いて、n型GaN基板の(0001)面(表面)上に、n型GaNよりなるバッファ層と、n型AlGaNよりなるクラッド層と、アンドープのGaNよりなるガイド層と、InGaN/GaNよりなる多重量子井戸構造の活性層と、p型AlGaNよりなる電子ブロック層と、p型Al0.05Ga0.95Nよりなる層とをエピタキシャル成長させた。そして、エピタキシャル成長を行なった炉から基板を一端取り出した後、p型Al0.05Ga0.95Nよりなる層の上面全体にEB露光用レジスト(日本ゼオン社製、ZEP520)を塗布した。さらに、このレジストの所望の領域を電子ビームで露光してパターンを描画した後、レジストを現像した。続いて、このレジストをマスクとしてp型Al0.05Ga0.95Nよりなる層をエッチングした。このエッチングは、ミリング課程が主となる垂直エッチング条件で、Cl系ガスまたはHI系ガスのICP(Inductively Coupled Plasma)を用いて行なった。その後、ベンゼンスルフォン酸を用いてレジストを除去した。これにより、2次元回折格子の格子点となる位置にp型Al0.05Ga0.95Nよりなる低屈折率部分を形成した。図23は、本発明の実施例1において作製された低屈折率部分の顕微鏡写真である。図23を参照して、レジストのパターンを反映して、円柱形状を有する複数の低屈折率部分が形成されていることが分かる。このように、物理的な反応課程(ミリング)が主のドライエッチングプロセスは、制御が容易であるため、2次元回折格子の格子点形状の面内均一性を向上することができる。次に、減圧MOCVD法を用いてp型電子ブロック層上にp型GaNよりなる高屈折率材料をエピタキシャル成長させ、高屈折率材料によって低屈折率材料を埋め込んだ。これにより、p型電子ブロック層上にフォトニック結晶層を形成した。このフォトニック結晶層については、隣り合う格子点間のピッチが160nmの正方格子とし、充填率を15%とし、厚み(低屈折率部分の円柱の高さ)を100nmとした。次に、フォトニック結晶層上に、p型AlGaNよりなるクラッド層と、p型GaNよりなるコンタクト層とを形成した。そして、p型コンタクト層上にp型電極を形成し、基板の裏面にn型電極を形成した。高屈折率部分のエピタキシャル成長後の表面モホロジーは良好であった。 In this example, the semiconductor laser device of the first embodiment shown in FIG. 3 was manufactured and the characteristics thereof were evaluated. Specifically, using a MOCVD method, a buffer layer made of n-type GaN, a clad layer made of n-type AlGaN, and a guide made of undoped GaN are formed on the (0001) plane (front surface) of the n-type GaN substrate. A layer, an active layer having a multiple quantum well structure made of InGaN / GaN, an electron block layer made of p-type AlGaN, and a layer made of p-type Al 0.05 Ga 0.95 N were epitaxially grown. Then, after removing the substrate from the furnace in which the epitaxial growth was performed, an EB exposure resist (ZEP520, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was applied to the entire upper surface of the layer made of p-type Al 0.05 Ga 0.95 N. Further, after exposing a desired region of the resist with an electron beam to draw a pattern, the resist was developed. Subsequently, a layer made of p-type Al 0.05 Ga 0.95 N was etched using this resist as a mask. This etching was performed by using ICP (Inductively Coupled Plasma) of Cl-based gas or HI-based gas under vertical etching conditions mainly in the milling process. Thereafter, the resist was removed using benzenesulfonic acid. As a result, a low refractive index portion made of p-type Al 0.05 Ga 0.95 N was formed at a position to be a lattice point of the two-dimensional diffraction grating. FIG. 23 is a photomicrograph of the low refractive index portion produced in Example 1 of the present invention. Referring to FIG. 23, it can be seen that a plurality of low refractive index portions having a cylindrical shape are formed reflecting the pattern of the resist. As described above, since the dry etching process mainly including the physical reaction process (milling) is easy to control, the in-plane uniformity of the lattice point shape of the two-dimensional diffraction grating can be improved. Next, a high refractive index material made of p-type GaN was epitaxially grown on the p-type electron block layer by using a low pressure MOCVD method, and the low refractive index material was embedded with the high refractive index material. Thereby, a photonic crystal layer was formed on the p-type electron block layer. For this photonic crystal layer, a square lattice with a pitch between adjacent lattice points of 160 nm was used, the filling rate was 15%, and the thickness (the height of the column of the low refractive index portion) was 100 nm. Next, a cladding layer made of p-type AlGaN and a contact layer made of p-type GaN were formed on the photonic crystal layer. Then, a p-type electrode was formed on the p-type contact layer, and an n-type electrode was formed on the back surface of the substrate. The surface morphology after epitaxial growth of the high refractive index part was good.

続いて、得られた半導体レーザ素子の特性を評価した。回折ピークのスプリット幅に基づいて見積もられたフォトニック結晶層と活性層発光との結合係数κ(カッパ)は約120cm-1であった。また、室温で8kA/cm2の閾値でパルス発振が見られた。その結果、本実施例で得られた半導体レーザ素子は、SiO2よりなる低屈折率部分をGaNよりなる高屈折率部分で埋め込んだ従来の半導体レーザ素子に比べて、素子寿命が長く、かつ信頼性の高い素子であることが分かった。 Subsequently, the characteristics of the obtained semiconductor laser device were evaluated. The coupling coefficient κ (kappa) between the photonic crystal layer and the active layer emission estimated based on the split width of the diffraction peak was about 120 cm −1 . Further, pulse oscillation was observed at a threshold of 8 kA / cm 2 at room temperature. As a result, the semiconductor laser device obtained in this example has a longer device life and reliability than the conventional semiconductor laser device in which the low refractive index portion made of SiO 2 is embedded with the high refractive index portion made of GaN. It turned out to be a highly functional device.

本実施例では、図20に示す実施の形態4の半導体レーザ素子を製造し、その特性を評価した。具体的には、MOCVD法を用いて、n型GaN基板の(0001)面(表面)上に、n型GaNよりなるバッファ層と、n型AlGaNよりなるクラッド層とをエピタキシャル成長させた。続いて、実施例1と同様の方法で、n型GaNよりなる低屈折率層と、n型In0.04Ga0.96Nよりなる高屈折率層とを有するフォトニック結晶層を形成した。このフォトニック結晶層については、隣り合う格子点間のピッチが190nmの三角格子とし、充填率を15%とし、厚み(低屈折率部分の円柱の高さ)を100nmとした。次に、フォトニック結晶層上に、アンドープのGaNよりなるガイド層と、InGaN/GaNよりなる多重量子井戸構造の活性層と、p型AlGaNよりなる電子ブロック層と、p型AlGaNよりなるクラッド層と、p型GaNよりなるコンタクト層とを形成した。そして、p型コンタクト層上にp型電極を形成し、基板の裏面にn型電極を形成した。高屈折率部分のエピタキシャル成長後の表面モホロジーは良好であった。 In this example, the semiconductor laser device of the fourth embodiment shown in FIG. 20 was manufactured and its characteristics were evaluated. Specifically, a buffer layer made of n-type GaN and a clad layer made of n-type AlGaN were epitaxially grown on the (0001) plane (front surface) of the n-type GaN substrate using MOCVD. Subsequently, a photonic crystal layer having a low refractive index layer made of n-type GaN and a high refractive index layer made of n-type In 0.04 Ga 0.96 N was formed by the same method as in Example 1. For this photonic crystal layer, a triangular lattice having a pitch between adjacent lattice points of 190 nm was used, the filling rate was 15%, and the thickness (the height of the column of the low refractive index portion) was 100 nm. Next, on the photonic crystal layer, a guide layer made of undoped GaN, an active layer having a multiple quantum well structure made of InGaN / GaN, an electron block layer made of p-type AlGaN, and a clad layer made of p-type AlGaN And a contact layer made of p-type GaN. Then, a p-type electrode was formed on the p-type contact layer, and an n-type electrode was formed on the back surface of the substrate. The surface morphology after epitaxial growth of the high refractive index part was good.

続いて、得られた半導体レーザ素子の特性を評価した。回折ピークのスプリット幅に基づいて見積もられたフォトニック結晶層と活性層発光との結合係数κ(カッパ)は約150cm-1であった。また、室温で7kA/cm2の閾値でパルス発振が見られた。その結果、本実施例で得られた半導体レーザ素子は、SiO2よりなる低屈折率部分をGaNよりなる高屈折率部分で埋め込んだ従来の半導体レーザ素子に比べて、素子寿命が長く、かつ信頼性の高い素子であることが分かった。 Subsequently, the characteristics of the obtained semiconductor laser device were evaluated. The coupling coefficient κ (kappa) between the photonic crystal layer and the active layer emission estimated based on the split width of the diffraction peak was about 150 cm −1 . Further, pulse oscillation was observed at a threshold of 7 kA / cm 2 at room temperature. As a result, the semiconductor laser device obtained in this example has a longer device life and reliability than the conventional semiconductor laser device in which the low refractive index portion made of SiO 2 is embedded with the high refractive index portion made of GaN. It turned out to be a highly functional device.

以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。   The embodiments and examples disclosed above are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments and examples but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. .

本発明は、2次元回折格子を備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に利用可能である。   The present invention can be used for a semiconductor laser device having a two-dimensional diffraction grating and a manufacturing method thereof.

本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 図1および図2のIII−III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIGS. 1 and 2. 本発明の実施の形態1におけるフォトニック結晶層の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the photonic crystal layer in Embodiment 1 of this invention. 三角格子における光の回折を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffraction of the light in a triangular lattice. 本発明の実施の形態1におけるフォトニック結晶層の他の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the other structure of the photonic crystal layer in Embodiment 1 of this invention. 正方格子における光の回折を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffraction of the light in a square lattice. 本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の製造方法の第1工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の製造方法の第2工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の製造方法の第3工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の製造方法の第3工程における低屈折率部分を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the low-refractive-index part in the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の製造方法の第4工程における高屈折率部分の成長の様子を示す模式図である。(a)は第1状態、(b)は第2状態、(c)は第3状態、(d)は第4状態、(e)は第5状態、(f)は第6状態を示している。It is a schematic diagram which shows the mode of the growth of the high refractive index part in the 4th process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. (A) is the first state, (b) is the second state, (c) is the third state, (d) is the fourth state, (e) is the fifth state, and (f) is the sixth state. Yes. 本発明の実施の形態1における半導体レーザ素子の製造方法の第5工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 5th process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1において、低屈折率部分が高屈折率部分で完全に覆われた状態のフォトニック結晶層を模式的に示す斜視図である。In Embodiment 1 of this invention, it is a perspective view which shows typically the photonic crystal layer of the state in which the low refractive index part was completely covered by the high refractive index part. 本発明の実施の形態2における半導体レーザ素子の製造方法の第1工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における半導体レーザ素子の製造方法の第2工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における半導体レーザ素子の製造方法の第3工程における低屈折率部分の成長の様子を示す模式図である。(a)は第1状態、(b)は第2状態、(c)は第3状態、(d)は第4状態、(e)は第5状態、(f)は第6状態を示している。It is a schematic diagram which shows the mode of the growth of the low refractive index part in the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 2 of this invention. (A) is the first state, (b) is the second state, (c) is the third state, (d) is the fourth state, (e) is the fifth state, and (f) is the sixth state. Yes. 本発明の実施の形態3における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser element in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3におけるフォトニック結晶層の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the photonic crystal layer in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser element in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4における半導体レーザ素子の製造方法の第1工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4における半導体レーザ素子の製造方法の第2工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor laser element in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施例1において作製された低屈折率部分の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the low refractive index part produced in Example 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,1a,1b 半導体レーザ素子、2 基板、3 n型クラッド層、4 ガイド層、5 活性層、6 p型電子ブロック層、7,7a フォトニック結晶層、8 p型クラッド層、9 p型コンタクト層、10 p型電極、11 n型電極、13 格子点、21 基板上面、22 基板下面、71 高屈折率部分、71a 高屈折率部分の層、72 低屈折率部分、72a 低屈折率部分の層、74 低屈折率部分の上面、76 孔、77 高屈折率部分の上面、91 p型コンタクト層の上面、300,310 レジスト。   1, 1a, 1b Semiconductor laser device, 2 substrate, 3 n-type cladding layer, 4 guide layer, 5 active layer, 6 p-type electron block layer, 7, 7a photonic crystal layer, 8 p-type cladding layer, 9 p-type Contact layer, 10 p-type electrode, 11 n-type electrode, 13 lattice points, 21 substrate upper surface, 22 substrate lower surface, 71 high refractive index portion, 71a high refractive index portion layer, 72 low refractive index portion, 72a low refractive index portion Layer, 74 upper surface of low refractive index portion, 76 holes, 77 upper surface of high refractive index portion, 91 upper surface of p-type contact layer, 300, 310 resist.

Claims (17)

高屈折率部分と、前記高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有する2次元回折格子と、
前記2次元回折格子の一方の主面側に形成され、かつキャリアが注入されることにより発光する発光層とを備え、
前記高屈折率部分および前記低屈折率部分の各々は窒化ガリウム成分を含む、半導体レーザ素子。
A two-dimensional diffraction grating having a high refractive index portion and a low refractive index portion having a refractive index lower than that of the high refractive index portion;
A light emitting layer that is formed on one main surface side of the two-dimensional diffraction grating and emits light by injecting carriers;
Each of the high refractive index portion and the low refractive index portion includes a gallium nitride component.
前記高屈折率部分の屈折率と前記低屈折率部分の屈折率との差は0.04以上である、請求項1に記載の半導体レーザ素子。   2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a difference between a refractive index of the high refractive index portion and a refractive index of the low refractive index portion is 0.04 or more. 前記高屈折率部分および前記低屈折率部分の各々はInyGa1-yN(0≦y<1)またはAlxGa1-xN(0≦x<1)よりなる、請求項1または2に記載の半導体レーザ素子。 The high refractive index portion and the low refractive index portion are each composed of In y Ga 1-y N (0 ≦ y <1) or Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1). 2. The semiconductor laser device according to 2. 前記高屈折率部分はInyGa1-yN(0≦y≦0.15)よりなり、かつ前記低屈折率部分はAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)よりなる、請求項3に記載の半導体レーザ素子。 The high refractive index portion is made of In y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.15), and the low refractive index portion is made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5). The semiconductor laser device according to claim 3. 前記2次元回折格子および前記発光層は窒化ガリウムよりなる基板の一方の主面側に形成される、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体レーザ素子。   The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the two-dimensional diffraction grating and the light emitting layer are formed on one main surface side of a substrate made of gallium nitride. 前記2次元回折格子は前記発光層よりも前記基板から離れた位置に形成されている、請求項5に記載の半導体レーザ素子。   The semiconductor laser device according to claim 5, wherein the two-dimensional diffraction grating is formed at a position farther from the substrate than the light emitting layer. 前記2次元回折格子は前記発光層よりも前記基板に近い位置に形成されている、請求項5に記載の半導体レーザ素子。   The semiconductor laser device according to claim 5, wherein the two-dimensional diffraction grating is formed at a position closer to the substrate than the light emitting layer. 前記低屈折率部分は前記2次元回折格子の格子点となる位置に形成されている、請求項1〜7のいずれかに記載の半導体レーザ素子。   The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the low refractive index portion is formed at a position to be a lattice point of the two-dimensional diffraction grating. 前記高屈折率部分は前記2次元回折格子の格子点となる位置に形成されている、請求項1〜7のいずれかに記載の半導体レーザ素子。   The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the high refractive index portion is formed at a position to be a lattice point of the two-dimensional diffraction grating. 前記2次元回折格子は三角格子または正方格子の形状を有する、請求項1〜9のいずれかに記載の半導体レーザ素子。   The semiconductor laser element according to claim 1, wherein the two-dimensional diffraction grating has a triangular or square lattice shape. 高屈折率部分と、前記高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有する2次元回折格子を形成する工程と、
キャリアが注入されることにより発光する発光層を前記2次元回折格子の一方の主面側に形成する工程とを備え、
前記高屈折率部分および前記低屈折率部分の各々は窒化ガリウム成分を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
Forming a two-dimensional diffraction grating having a high refractive index portion and a low refractive index portion having a refractive index lower than the refractive index of the high refractive index portion;
Forming a light emitting layer that emits light by injecting carriers on one main surface side of the two-dimensional diffraction grating,
The method for manufacturing a semiconductor laser device, wherein each of the high refractive index portion and the low refractive index portion includes a gallium nitride component.
前記2次元回折格子を形成する工程は、前記2次元回折格子を形成するための一の領域に前記低屈折率部分を形成する工程と、前記低屈折率部分を形成する工程の後で、前記2次元回折格子を形成するための他の領域に前記高屈折率部分を形成する工程とを含む、請求項11に記載の半導体レーザ素子の製造方法。   The step of forming the two-dimensional diffraction grating includes the step of forming the low refractive index portion in one region for forming the two-dimensional diffraction grating and the step of forming the low refractive index portion. The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 11, further comprising: forming the high refractive index portion in another region for forming a two-dimensional diffraction grating. 前記高屈折率部分を形成する工程において、前記高屈折率部分で前記低屈折率部分を完全に覆う、請求項12に記載の半導体レーザ素子の製造方法。   13. The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 12, wherein in the step of forming the high refractive index portion, the low refractive index portion is completely covered with the high refractive index portion. 前記2次元回折格子を形成する工程は、前記2次元回折格子を形成するための一の領域に前記高屈折率部分を形成する工程と、前記高屈折率部分を形成する工程の後で、前記2次元回折格子を形成するための他の領域に前記低屈折率部分を形成する工程とを含む、請求項11に記載の半導体レーザ素子の製造方法。   The step of forming the two-dimensional diffraction grating includes the step of forming the high refractive index portion in one region for forming the two dimensional diffraction grating and the step of forming the high refractive index portion. The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 11, further comprising: forming the low refractive index portion in another region for forming a two-dimensional diffraction grating. 前記低屈折率部分を形成する工程において、前記低屈折率部分で前記高屈折率部分を完全に覆う、請求項14に記載の半導体レーザ素子の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 14, wherein in the step of forming the low refractive index portion, the low refractive index portion completely covers the high refractive index portion. 前記発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に前記発光層を形成し、かつ前記2次元回折格子を形成する工程において、前記基板の前記一方の主面側における前記発光層よりも前記基板から離れた位置に前記2次元回折格子を形成する、請求項11〜15のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。   In the step of forming the light emitting layer, in the step of forming the light emitting layer on one main surface side of the substrate and forming the two-dimensional diffraction grating, the light emitting layer on the one main surface side of the substrate The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 11, wherein the two-dimensional diffraction grating is formed at a position away from the substrate. 前記発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に前記発光層を形成し、かつ前記2次元回折格子を形成する工程において、前記基板の前記一方の主面側における前記発光層よりも前記基板に近い位置に前記2次元回折格子を形成する、請求項11〜15のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。   In the step of forming the light emitting layer, in the step of forming the light emitting layer on one main surface side of the substrate and forming the two-dimensional diffraction grating, the light emitting layer on the one main surface side of the substrate The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 11, wherein the two-dimensional diffraction grating is formed at a position close to the substrate.
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