JP2010003918A - 面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】二次元フォトニック結晶を作製する際の活性層のダメージを低減することができると共に、活性層からの光を二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザを提供する。
【解決手段】活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有する構成とする。
【選択図】 図1
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザを提供する。
【解決手段】活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有する構成とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザおよびその製造方法に関する。
面発光レーザの一つとして、反射鏡に二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが知られている。
近紫外から青色領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下、DBRと記す)が広く用いられる。
しかし、このDBRは作製が困難なことから、上記した二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが、近年において盛んに研究されている。
近紫外から青色領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下、DBRと記す)が広く用いられる。
しかし、このDBRは作製が困難なことから、上記した二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが、近年において盛んに研究されている。
このような二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザにおいて、非特許文献1では、図3(a)に示すような面発光レーザが開示されている。
図3(a)において、300は面発光レーザ、301はn側電極、303は基板、304はn型クラッド層、305は二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層、311はマスク、312は柱状空孔、313は二次元フォトニック結晶である。
306は活性層、307はp型光ガイド層、308はp型光クラッド層、309はp型コンタクト層である。
この面発光レーザ300においては、GaNからなる半導体層に、ドライエッチング法により該二次元フォトニック結晶を形成し、マスクによる再成長で該二次元フォトニック結晶を含む光ガイド層305を形成し、その上に活性層306が形成されている。
具体的には、図3(b)から図3(e)に示される工程により、つぎのようにして上記二次元フォトニック結晶313と活性層306が形成される。
先ず、図3(b)に示すように、GaNからなる半導体層にドライエッチングにより柱状空孔312からなる二次元フォトニック結晶313を形成する。
次に、該柱状空孔312の底部に結晶成長を抑制するマスク311を形成する。
次に、図3(c)〜3(e)に示すように、MOCVD法(metalorganic chemical vapor deposition:有機金属気相成長法)により、つぎのように光ガイド層を形成する。
すなわち、横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて、前記柱状空孔312を徐々に覆うようにGaNからなる半導体層を、表面が平坦になる膜厚以上積層することで、前記二次元フォトニック結晶313を含む光ガイド層305を形成する。
続いて、前記活性層306を積層する。
図3(a)において、300は面発光レーザ、301はn側電極、303は基板、304はn型クラッド層、305は二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層、311はマスク、312は柱状空孔、313は二次元フォトニック結晶である。
306は活性層、307はp型光ガイド層、308はp型光クラッド層、309はp型コンタクト層である。
この面発光レーザ300においては、GaNからなる半導体層に、ドライエッチング法により該二次元フォトニック結晶を形成し、マスクによる再成長で該二次元フォトニック結晶を含む光ガイド層305を形成し、その上に活性層306が形成されている。
具体的には、図3(b)から図3(e)に示される工程により、つぎのようにして上記二次元フォトニック結晶313と活性層306が形成される。
先ず、図3(b)に示すように、GaNからなる半導体層にドライエッチングにより柱状空孔312からなる二次元フォトニック結晶313を形成する。
次に、該柱状空孔312の底部に結晶成長を抑制するマスク311を形成する。
次に、図3(c)〜3(e)に示すように、MOCVD法(metalorganic chemical vapor deposition:有機金属気相成長法)により、つぎのように光ガイド層を形成する。
すなわち、横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて、前記柱状空孔312を徐々に覆うようにGaNからなる半導体層を、表面が平坦になる膜厚以上積層することで、前記二次元フォトニック結晶313を含む光ガイド層305を形成する。
続いて、前記活性層306を積層する。
上記形成方法によれば、前記二次元フォトニック結晶を形成した後に前記活性層を形成するため、該二次元フォトニックを形成するためのドライエッチングに起因する半導体結晶の劣化を、該活性層の部位に関して抑制することが可能となる。
また、特許文献1では、図7(a)に示すような半導体レーザ素子(面発光レーザ)が開示されている。
図7(a)において、700は面発光レーザ、703は基板、704はn型クラッド層、705は活性層、706はp型クラッド層、707はフォトニック結晶層、708はp型クラッド層、709はコンタクト層、710と711は電極である。
この面発光レーザ700においては、活性層705上に、ドライエッチング法により形成されたフォトニック結晶層707と、該フォトニック結晶層上に別の基板を接合して形成された上層と、を備えている。
具体的には、図7(b)から図7(e)に示される工程により、つぎのようにして活性層705上に、フォトニック結晶層707が形成され、該フォトニック結晶層上に上層が形成される。
まず、MOCVD法を用いて、基板703上に、n型クラッド層704、活性層705、p型クラッド層706及びGaNよりなるエピタキシャル層702aを、この順で形成する(図7(b))。
次に、上記エピタキシャル層702a上に、所定形状のレジスト層720を形成する(図7(c))。
次に、上記レジスト層720をマスクとして、上記エピタキシャル層702aをドライエッチング(ICP;Inductive coupled plasmaでエッチング)し、フォトニック結晶層707を形成する(図7(d))。
一方、別の基板721上に、剥離層722、コンタクト層709、およびp型クラッド層708を、この順で形成する(図7(e))。
そして、上記フォトニック結晶層707に対し、上記別の基板721上に形成されたp型クラッド層708を接合した後、剥離層722を介して上記基板721側を剥離することにより、図7(a)に示す面発光レーザ700が形成される。
Science,Vol.319,pp.445−447,25 January 2008 特開2006−165309号公報
図7(a)において、700は面発光レーザ、703は基板、704はn型クラッド層、705は活性層、706はp型クラッド層、707はフォトニック結晶層、708はp型クラッド層、709はコンタクト層、710と711は電極である。
この面発光レーザ700においては、活性層705上に、ドライエッチング法により形成されたフォトニック結晶層707と、該フォトニック結晶層上に別の基板を接合して形成された上層と、を備えている。
具体的には、図7(b)から図7(e)に示される工程により、つぎのようにして活性層705上に、フォトニック結晶層707が形成され、該フォトニック結晶層上に上層が形成される。
まず、MOCVD法を用いて、基板703上に、n型クラッド層704、活性層705、p型クラッド層706及びGaNよりなるエピタキシャル層702aを、この順で形成する(図7(b))。
次に、上記エピタキシャル層702a上に、所定形状のレジスト層720を形成する(図7(c))。
次に、上記レジスト層720をマスクとして、上記エピタキシャル層702aをドライエッチング(ICP;Inductive coupled plasmaでエッチング)し、フォトニック結晶層707を形成する(図7(d))。
一方、別の基板721上に、剥離層722、コンタクト層709、およびp型クラッド層708を、この順で形成する(図7(e))。
そして、上記フォトニック結晶層707に対し、上記別の基板721上に形成されたp型クラッド層708を接合した後、剥離層722を介して上記基板721側を剥離することにより、図7(a)に示す面発光レーザ700が形成される。
Science,Vol.319,pp.445−447,25 January 2008
上記したように、非特許文献1では、GaNからなる半導体層にドライエッチングにより二次元フォトニック結晶を形成した後、再成長で該二次元フォトニック結晶を含む光ガイド層を形成し、その上に活性層を形成するようにされている。
これによれば、二次元フォトニック結晶を作製する際、ドライエッチングによって活性層にダメージを与えることが防がれ、活性層の結晶性劣化を抑制することが可能となる。
しかしながら、非特許文献1では、上記図3(c)〜3(e)に示す工程で説明したように、柱状空孔を徐々に覆うようにGaNからなる半導体層を積層させることで、表面が平坦なフォトニック結晶を含む光ガイド層を形成する。
そのため、図3(a)に示されるように、活性層306とフォトニック結晶313との距離dを、近接させることが困難となる。
その結果、活性層から発光した光を、フォトニック結晶に効率良く導入することができないという課題が生じる。
また、活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面部分が、横方向成長による埋め込みで柱状空孔を徐々に覆うように形成されるため、平坦性や形状精度を得る上で制約がある。
これによれば、二次元フォトニック結晶を作製する際、ドライエッチングによって活性層にダメージを与えることが防がれ、活性層の結晶性劣化を抑制することが可能となる。
しかしながら、非特許文献1では、上記図3(c)〜3(e)に示す工程で説明したように、柱状空孔を徐々に覆うようにGaNからなる半導体層を積層させることで、表面が平坦なフォトニック結晶を含む光ガイド層を形成する。
そのため、図3(a)に示されるように、活性層306とフォトニック結晶313との距離dを、近接させることが困難となる。
その結果、活性層から発光した光を、フォトニック結晶に効率良く導入することができないという課題が生じる。
また、活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面部分が、横方向成長による埋め込みで柱状空孔を徐々に覆うように形成されるため、平坦性や形状精度を得る上で制約がある。
また、特許文献1のものにおいては、活性層上に、フォトニック結晶層が形成されることから、活性層とフォトニック結晶との距離を近接させることが可能となる。
しかしながら、特許文献1のものでは、フォトニック結晶を作製する際、GaNよりなるエピタキシャル層がドライエッチングされることにより、下層の活性層がダメージを受けることとなる。
しかしながら、特許文献1のものでは、フォトニック結晶を作製する際、GaNよりなるエピタキシャル層がドライエッチングされることにより、下層の活性層がダメージを受けることとなる。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、二次元フォトニック結晶を作製する際の活性層のダメージを低減することができると共に、活性層からの光を二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的としている。
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的としている。
本発明は、上記課題を解決するため、次のように構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザおよびその製造方法を提供するものである。
本発明の面発光レーザは、活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔よりも高屈折率であり、かつ、前記半導体層よりも低屈折率の材料により構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔が形成された部位における前記活性層との界面に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔が形成された部位における前記活性層と二次元フォトニック結晶との間に設けられた光ガイド層との界面に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記空孔が、円錐状の形状を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、活性層と、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶を有する面発光レーザの製造方法であって、
前記活性層を備えた基板上に、二次元周期で配列された結晶成長抑制用マスクを形成する工程と、
前記結晶成長抑制用マスクが設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、前記半導体を結晶成長させることにより、該結晶成長抑制用マスク上に前記空孔を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、該結晶成長抑制用マスクを前記活性層上または前記活性層に設けられた光ガイド層上に形成する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記結晶成長抑制用マスクを二酸化ケイ素で形成することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記基板に導電性基板を用いることを特徴とする。
本発明の面発光レーザは、活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔よりも高屈折率であり、かつ、前記半導体層よりも低屈折率の材料により構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔が形成された部位における前記活性層との界面に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔が形成された部位における前記活性層と二次元フォトニック結晶との間に設けられた光ガイド層との界面に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記空孔が、円錐状の形状を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、活性層と、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶を有する面発光レーザの製造方法であって、
前記活性層を備えた基板上に、二次元周期で配列された結晶成長抑制用マスクを形成する工程と、
前記結晶成長抑制用マスクが設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、前記半導体を結晶成長させることにより、該結晶成長抑制用マスク上に前記空孔を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、該結晶成長抑制用マスクを前記活性層上または前記活性層に設けられた光ガイド層上に形成する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記結晶成長抑制用マスクを二酸化ケイ素で形成することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記基板に導電性基板を用いることを特徴とする。
本発明によれば、二次元フォトニック結晶を作製する際の活性層のダメージを低減することができると共に、活性層からの光を二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる面発光レーザおよびその製造方法を実現することができる。
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる面発光レーザおよびその製造方法を実現することができる。
以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。
図1に、本実施形態における面発光レーザの構造を説明する断面図を示す。
図1において、100は面発光レーザ、101はp側電極、103はn側電極、111はp型コンタクト層、112はp型コンタクト面、113はp型クラッド層、114はp型光ガイド層である。
115は活性層、116は活性層表面、131は二次元フォトニック結晶を構成する半導体層、132は柱状空孔、133は円柱空孔天井面、134は二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層である。
135はn型クラッド層、136はn型コンタクト層、137は光放出面である。
本実施形態の半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列されてなる二次元フォトニック結晶は、具体的にはつぎのような構成を備えている。
二次元フォトニック結晶を構成する半導体層131が、第1の屈折率(GaNの場合2.54)を有している。
また、周期的に形成された柱状空孔132は、第1の屈折率よりも低屈折率である第2の屈折率(柱状空孔内に空気が埋め込まれている場合1.0)を有している。
図1に、本実施形態における面発光レーザの構造を説明する断面図を示す。
図1において、100は面発光レーザ、101はp側電極、103はn側電極、111はp型コンタクト層、112はp型コンタクト面、113はp型クラッド層、114はp型光ガイド層である。
115は活性層、116は活性層表面、131は二次元フォトニック結晶を構成する半導体層、132は柱状空孔、133は円柱空孔天井面、134は二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層である。
135はn型クラッド層、136はn型コンタクト層、137は光放出面である。
本実施形態の半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列されてなる二次元フォトニック結晶は、具体的にはつぎのような構成を備えている。
二次元フォトニック結晶を構成する半導体層131が、第1の屈折率(GaNの場合2.54)を有している。
また、周期的に形成された柱状空孔132は、第1の屈折率よりも低屈折率である第2の屈折率(柱状空孔内に空気が埋め込まれている場合1.0)を有している。
ここで、二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134の製造プロセスについて説明する。
活性層115を形成した後、活性層115上に、半導体層の結晶成長を抑制する例えば二酸化ケイ素などよりなる結晶成長抑制用マスク121を、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状に形成する。
次に、フォトニック結晶の形状の結晶成長抑制用マスク121が形成された活性層115上に、MOCVD法を用いて、つぎのように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、結晶成長抑制用マスク121が設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、たとえばn型GaNからなる薄膜半導体層を結晶成長させる。
これにより、マスク121の上に柱状空孔132を設け、二次元フォトニック結晶131が形成される。
活性層115を形成した後、活性層115上に、半導体層の結晶成長を抑制する例えば二酸化ケイ素などよりなる結晶成長抑制用マスク121を、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状に形成する。
次に、フォトニック結晶の形状の結晶成長抑制用マスク121が形成された活性層115上に、MOCVD法を用いて、つぎのように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、結晶成長抑制用マスク121が設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、たとえばn型GaNからなる薄膜半導体層を結晶成長させる。
これにより、マスク121の上に柱状空孔132を設け、二次元フォトニック結晶131が形成される。
このような構造体は、非特許文献2(Journal of Crystal Growth,Vol.221,pp.316−326,2000)に開示されているような横方向成長を抑制するような成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長温度を通常の成長温度より100℃低い1050℃に設定し、かつ、結晶成長を生じさせる反応炉内ガス雰囲気の水素比率が60%以上になるように設定する。
なお、本実施の形態においては、結晶成長にMOCVD法を用いた場合について示した。
しかしながら、結晶成長方法に、たとえばMBE法(molecular beam epitaxy:分子線エピタキシー法)を用いても良い。
例えば、成長温度を通常の成長温度より100℃低い1050℃に設定し、かつ、結晶成長を生じさせる反応炉内ガス雰囲気の水素比率が60%以上になるように設定する。
なお、本実施の形態においては、結晶成長にMOCVD法を用いた場合について示した。
しかしながら、結晶成長方法に、たとえばMBE法(molecular beam epitaxy:分子線エピタキシー法)を用いても良い。
次に、柱状空孔121を覆うように、たとえばn型GaNからなる薄膜半導体層を積層することで、n型GaNからなる二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134を形成する。
このような構造体は、上記非特許文献2に開示されているような横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長温度を1150℃以上に上昇させ、かつ、前記反応炉内ガス雰囲気の水素比率が80%以上になるように設定する。
図1に示された本実施形態の構成例では、活性層115と二次元フォトニック結晶131は近接して配置されているが、活性層115と二次元フォトニック結晶131の距離に特に限定はなく、離れていても良い。
その場合には、活性層115を形成し、n型GaNからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層することで、n型光ガイド層134の一部を形成した後、結晶成長抑制用マスク121を形成する。
これにより、フォトニック結晶131と活性層115の距離を任意に設定可能である。
このような構造体は、上記非特許文献2に開示されているような横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長温度を1150℃以上に上昇させ、かつ、前記反応炉内ガス雰囲気の水素比率が80%以上になるように設定する。
図1に示された本実施形態の構成例では、活性層115と二次元フォトニック結晶131は近接して配置されているが、活性層115と二次元フォトニック結晶131の距離に特に限定はなく、離れていても良い。
その場合には、活性層115を形成し、n型GaNからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層することで、n型光ガイド層134の一部を形成した後、結晶成長抑制用マスク121を形成する。
これにより、フォトニック結晶131と活性層115の距離を任意に設定可能である。
以上のように、二次元フォトニック結晶131と活性層115との間には、柱状空孔312を埋め込むための半導体層を設ける必要がない。
そのため、非特許文献1に開示されている活性層の下側に二次元フォトニック結晶を形成する場合と比較して、該二次元フォトニック結晶と該活性層とを近接させることが出来る。
ここで、非特許文献1と比較して、活性層に対する柱状空孔と結晶成長抑制用マスクの位置は異なる。
これにより、非特許文献1では、活性層から発光した光が、該マスクを介さずに二次元フォトニック結晶を構成する該柱状空孔に導入されるのに対して、本実施の形態では、該活性層から発光した光が、該マスクを介して該柱状空孔に導入される。
すなわち、該マスクとして屈折率が1.5である二酸化ケイ素という材料を用いた場合、非特許文献1と比較して、本実施の形態では、該活性層に近い側の該二次元フォトニック結晶の界面における実効的な屈折率差が小さくなる。
そのため、非特許文献1に開示されている活性層の下側に二次元フォトニック結晶を形成する場合と比較して、該二次元フォトニック結晶と該活性層とを近接させることが出来る。
ここで、非特許文献1と比較して、活性層に対する柱状空孔と結晶成長抑制用マスクの位置は異なる。
これにより、非特許文献1では、活性層から発光した光が、該マスクを介さずに二次元フォトニック結晶を構成する該柱状空孔に導入されるのに対して、本実施の形態では、該活性層から発光した光が、該マスクを介して該柱状空孔に導入される。
すなわち、該マスクとして屈折率が1.5である二酸化ケイ素という材料を用いた場合、非特許文献1と比較して、本実施の形態では、該活性層に近い側の該二次元フォトニック結晶の界面における実効的な屈折率差が小さくなる。
この形態の差異が、面発光レーザ内部での光分布に及ぼす影響を確認すべく、図4(a)に示す面発光レーザ400の内部における導波モードの電界分布についてシミュレーションを行った。
活性層と二次元フォトニック結晶との距離や、屈折率等を、つぎのような値として計算を行った。
活性層406と二次元フォトニック結晶402との距離、すなわち、下部光ガイド層405の厚さを100nm、上部光ガイド層407の厚さを100nmとした。
また、結晶成長抑制用マスク403の厚さを10nm、柱状空孔404の高さを90nm、下部クラッド層401および上部クラッド層408の厚さをそれぞれ無限大とした。
また、屈折率に関しては、下部クラッド層401および上部クラッド層408の屈折率を2.5、下部光ガイド層405および上部光ガイド層407の屈折率を2.54とした。
また、活性層406の屈折率を2.73、結晶成長抑制用マスク403の屈折率を1.5、柱状空孔404の屈折率を1.0とした。
活性層と二次元フォトニック結晶との距離や、屈折率等を、つぎのような値として計算を行った。
活性層406と二次元フォトニック結晶402との距離、すなわち、下部光ガイド層405の厚さを100nm、上部光ガイド層407の厚さを100nmとした。
また、結晶成長抑制用マスク403の厚さを10nm、柱状空孔404の高さを90nm、下部クラッド層401および上部クラッド層408の厚さをそれぞれ無限大とした。
また、屈折率に関しては、下部クラッド層401および上部クラッド層408の屈折率を2.5、下部光ガイド層405および上部光ガイド層407の屈折率を2.54とした。
また、活性層406の屈折率を2.73、結晶成長抑制用マスク403の屈折率を1.5、柱状空孔404の屈折率を1.0とした。
図4(a)に示す非特許文献1と同様の形態における、すなわち、二次元フォトニック結晶402の柱状空孔404の部位において、活性層406から遠い側に、結晶成長抑制用マスク403が設けられている場合の結果を図4(b)に示す。
図4(a)を参照して、実線は面発光レーザの内部における導波モードの電界分布、灰色の境界部分は二次元フォトニック結晶402の位置を、それぞれ示している。
面発光レーザ400の内部の光の総量(P0)に対する、二次元フォトニック結晶402に閉じ込められる光の光量Pの割合(P/P0)は、2.91%であった。
図4(a)を参照して、実線は面発光レーザの内部における導波モードの電界分布、灰色の境界部分は二次元フォトニック結晶402の位置を、それぞれ示している。
面発光レーザ400の内部の光の総量(P0)に対する、二次元フォトニック結晶402に閉じ込められる光の光量Pの割合(P/P0)は、2.91%であった。
これに対し、本実施の形態における、すなわち、二次元フォトニック結晶402の柱状空孔404の部位において、活性層406から近い側に、結晶成長抑制用マスク403が設けられている場合の結果を図4(c)に示す。
このとき、面発光レーザ400の内部の光の総量(P0)に対する、二次元フォトニック結晶402に閉じ込められる光の光量Pの割合(P/P0)は、3.01%となり、非特許文献1の形態と比較して増加する結果となった。
これは、非特許文献1と比較して、本実施の形態では、つぎのように二次元フォトニック結晶402への光の導入される割合が増加することによる。
すなわち、本実施の形態では、活性層406に近い側の二次元フォトニック結晶402の界面における実効的な屈折率差が小さくなり、下部光ガイド層405から二次元フォトニック結晶402への光の導入される割合が増加することによる。
以上のように、本実施の形態では、非特許文献1の形態と比較して、二次元フォトニック結晶402への光閉じ込めを高められるという効果があることが分かる。
これにより、活性層から発光した光を、該二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、面発光レーザの特性を向上することが出来る。
このとき、面発光レーザ400の内部の光の総量(P0)に対する、二次元フォトニック結晶402に閉じ込められる光の光量Pの割合(P/P0)は、3.01%となり、非特許文献1の形態と比較して増加する結果となった。
これは、非特許文献1と比較して、本実施の形態では、つぎのように二次元フォトニック結晶402への光の導入される割合が増加することによる。
すなわち、本実施の形態では、活性層406に近い側の二次元フォトニック結晶402の界面における実効的な屈折率差が小さくなり、下部光ガイド層405から二次元フォトニック結晶402への光の導入される割合が増加することによる。
以上のように、本実施の形態では、非特許文献1の形態と比較して、二次元フォトニック結晶402への光閉じ込めを高められるという効果があることが分かる。
これにより、活性層から発光した光を、該二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、面発光レーザの特性を向上することが出来る。
ここで、結晶成長抑制用マスク403に適用できる材料の範囲は、柱状空孔404(屈折率1.0)よりも高屈折率、かつ、二次元フォトニック結晶402および下部光ガイド層405を形成する半導体材料よりも低屈折率の関係にあるものである。
なお、柱状空孔404は、より厳格には、結晶成長工程における雰囲気に含まれる気体、すなわち、窒素または水素を主成分とする気体が充填されている。
二次元フォトニック結晶402および下部光ガイド層405の構成材料が、GaN(屈折率2.54)の場合において、マスク403の材料としては、シリコン酸化膜(SiOX)、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることが出来る。一方、二次元フォトニック結晶402および下部光ガイド層405の構成材料が、赤外用途のGaAs(屈折率3.54)の場合においても、マスク403の材料としては、シリコン酸化膜(SiOX)、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることができる。
なお、柱状空孔404は、より厳格には、結晶成長工程における雰囲気に含まれる気体、すなわち、窒素または水素を主成分とする気体が充填されている。
二次元フォトニック結晶402および下部光ガイド層405の構成材料が、GaN(屈折率2.54)の場合において、マスク403の材料としては、シリコン酸化膜(SiOX)、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることが出来る。一方、二次元フォトニック結晶402および下部光ガイド層405の構成材料が、赤外用途のGaAs(屈折率3.54)の場合においても、マスク403の材料としては、シリコン酸化膜(SiOX)、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることができる。
次に、図1に示すように、二次元フォトニック結晶131の円柱空孔132の部位において、活性層115の表面116側に、結晶成長抑制用マスク121が設けられており、
且つ、フォトニック結晶131と活性層115が近接している場合の計算結果を図4(d)に示す。
面発光レーザ100の内部の光の総量(P0)に対する、二次元フォトニック結晶131に閉じ込められる光の光量Pの割合(P/P0)は、4.69%であった。
以上のように、活性層115と二次元フォトニック結晶131との距離を近接させることでフォトニック結晶131への光閉じ込めを高められることが分かる。
且つ、フォトニック結晶131と活性層115が近接している場合の計算結果を図4(d)に示す。
面発光レーザ100の内部の光の総量(P0)に対する、二次元フォトニック結晶131に閉じ込められる光の光量Pの割合(P/P0)は、4.69%であった。
以上のように、活性層115と二次元フォトニック結晶131との距離を近接させることでフォトニック結晶131への光閉じ込めを高められることが分かる。
次に、活性層115と二次元フォトニック結晶131との距離、および、結晶成長抑制用マスク121の膜厚(柱状空孔404の部位における該マスクの充填率)を変化させた場合の計算結果を図5に示す。
これより、マスク121の膜厚が10nm(充填率10%)の場合において、活性層115と該二次元フォトニック結晶131との距離は、10nm以上、かつ、20nm以下という範囲がより好ましい。
一方、該マスク121の膜厚が50nm(充填率50%)の場合において、活性層115と二次元フォトニック結晶131との距離は、20nm以下という範囲がより好ましい。
これより、マスク121の膜厚が10nm(充填率10%)の場合において、活性層115と該二次元フォトニック結晶131との距離は、10nm以上、かつ、20nm以下という範囲がより好ましい。
一方、該マスク121の膜厚が50nm(充填率50%)の場合において、活性層115と二次元フォトニック結晶131との距離は、20nm以下という範囲がより好ましい。
次に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用して構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図1を用いて説明する。
本実施例の面発光レーザ100は、p型コンタクト層111と、p型クラッド層113と、p型光ガイド層114と、活性層115を備えている。
また、二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134と、n型クラッド層135と、n型コンタクト層136と、電極101および103とを備えている。
p型光ガイド層114および二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134は、それぞれ例えばp型およびn型GaNの半導体層からなる。
p型クラッド層113およびn型クラッド層135は、それぞれたとえばp型およびn型AlGaNの半導体層であり、それぞれ該p型ガイド層114および該n型ガイド層134よりも屈折率が低い。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用して構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図1を用いて説明する。
本実施例の面発光レーザ100は、p型コンタクト層111と、p型クラッド層113と、p型光ガイド層114と、活性層115を備えている。
また、二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134と、n型クラッド層135と、n型コンタクト層136と、電極101および103とを備えている。
p型光ガイド層114および二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134は、それぞれ例えばp型およびn型GaNの半導体層からなる。
p型クラッド層113およびn型クラッド層135は、それぞれたとえばp型およびn型AlGaNの半導体層であり、それぞれ該p型ガイド層114および該n型ガイド層134よりも屈折率が低い。
p型光ガイド層114、二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134、p型クラッド層113、およびn型クラッド層135は、活性層115に注入されるべきキャリアが伝導する伝導層として機能する。
また、p型光ガイド層114およびn型光ガイド層134により活性層115を挟み、p型クラッド層113およびn型クラッド層135によりp型光ガイド層114、活性層115およびn型光ガイド層134を挟んで、
SCH構造(separated confinement heterostructure:分離閉じ込めヘテロ構造)を形成している。
このため、発光に寄与するキャリアは活性層115に、活性層115から発光した光は活性層115、p型光ガイド層114およびn型光ガイド層134に、それぞれ閉じ込めるようになっている。
また、p型光ガイド層114およびn型光ガイド層134により活性層115を挟み、p型クラッド層113およびn型クラッド層135によりp型光ガイド層114、活性層115およびn型光ガイド層134を挟んで、
SCH構造(separated confinement heterostructure:分離閉じ込めヘテロ構造)を形成している。
このため、発光に寄与するキャリアは活性層115に、活性層115から発光した光は活性層115、p型光ガイド層114およびn型光ガイド層134に、それぞれ閉じ込めるようになっている。
活性層115は、半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、該量子井戸構造の井戸層および障壁層は、それぞれInGaNおよびGaNの半導体層からなる。
該井戸層のバンドギャップは、該障壁層、p型光ガイド層114および二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134のバンドギャップより小さい。
活性層115は、キャリアの注入により発光する。なお、本実施例における活性層115は、上記の多重量子井戸構造に特に限定されるものではなく、単一量子井戸構造であってもよい。
該井戸層のバンドギャップは、該障壁層、p型光ガイド層114および二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層134のバンドギャップより小さい。
活性層115は、キャリアの注入により発光する。なお、本実施例における活性層115は、上記の多重量子井戸構造に特に限定されるものではなく、単一量子井戸構造であってもよい。
n型コンタクト面137およびp型コンタクト面112には、それぞれAu(金)からなるn型電極103およびp型電極101が形成されている。
なお、本実施例における電極材料は、Auに特に限定されるものではなく、他の材料であってもよい。
電極103、101間に電圧を印加することにより活性層115が発光し、該活性層115からしみ出した光が、二次元フォトニック結晶131に入射する。
フォトニック結晶131が有する所定の周期に一致する光は、フォトニック結晶131により回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。
フォトニック結晶131によって位相が規定された光は、回折により活性層115内の光にフィードバックされ、定在波を発生させる。
この定在波は、フォトニック結晶131において規定される光の波長および位相条件を満足している。これにより、光はフォトニック結晶131で共振して増幅され、コヒーレントな光が、光放出面137から面発光される。
なお、本実施例における電極材料は、Auに特に限定されるものではなく、他の材料であってもよい。
電極103、101間に電圧を印加することにより活性層115が発光し、該活性層115からしみ出した光が、二次元フォトニック結晶131に入射する。
フォトニック結晶131が有する所定の周期に一致する光は、フォトニック結晶131により回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。
フォトニック結晶131によって位相が規定された光は、回折により活性層115内の光にフィードバックされ、定在波を発生させる。
この定在波は、フォトニック結晶131において規定される光の波長および位相条件を満足している。これにより、光はフォトニック結晶131で共振して増幅され、コヒーレントな光が、光放出面137から面発光される。
二次元フォトニック結晶131は、格子形状に配列された円柱空孔132からなっている。
また、該円柱空孔132の部位において、活性層115の表面116側に、二酸化ケイ素(SiO2)からなる結晶成長抑制用マスク121が設けられている。なお、本実施例におけるマスク材料は、二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気(屈折率1.0)よりも高屈折率、かつ、n型光ガイド層134(GaNの場合、屈折率2.54)よりも低屈折率の媒質であれば、他の材料であってもよい。
例えば、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることも出来る。
また、該円柱空孔132の部位において、活性層115の表面116側に、二酸化ケイ素(SiO2)からなる結晶成長抑制用マスク121が設けられている。なお、本実施例におけるマスク材料は、二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気(屈折率1.0)よりも高屈折率、かつ、n型光ガイド層134(GaNの場合、屈折率2.54)よりも低屈折率の媒質であれば、他の材料であってもよい。
例えば、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることも出来る。
つぎに、本実施例における面発光レーザの製造方法について、図2(a)〜図2(f)を用いて、説明する。
先ず、図2(a)に示すように、サファイアからなる基板201上に、つぎの順に積層構造を形成する。サファイアからなる基板201上に、MOCVD法により、歪緩衝層202を介してGaNからなる転位低減のためのGaNバッファ層203と、p型GaNからなるp型コンタクト層211を形成する。
次に、その上にp型AlGaNからなるp型クラッド層212と、p型GaNからなるp型光ガイド層213と、InGaNを含む多重量子井戸構造からなる活性層214を形成する。
なお、本実施例における基板201は、前記サファイア基板に特に限定されるものではなく、たとえばシリコン基板であってもよい。
先ず、図2(a)に示すように、サファイアからなる基板201上に、つぎの順に積層構造を形成する。サファイアからなる基板201上に、MOCVD法により、歪緩衝層202を介してGaNからなる転位低減のためのGaNバッファ層203と、p型GaNからなるp型コンタクト層211を形成する。
次に、その上にp型AlGaNからなるp型クラッド層212と、p型GaNからなるp型光ガイド層213と、InGaNを含む多重量子井戸構造からなる活性層214を形成する。
なお、本実施例における基板201は、前記サファイア基板に特に限定されるものではなく、たとえばシリコン基板であってもよい。
次に、図2(b)に示すように、二酸化ケイ素などよりなる結晶成長抑制用マスク221を、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタリング装置などを用い、上記した活性層上に成膜する。そして、成膜後において電子ビーム露光によって該マスク221上に所定形状のレジスト222を形成する。
なお、本実施例における結晶成長抑制用マスク221は、前記二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気の屈折率よりも高くn型光ガイド層233の屈折率よりも低い媒質であればよい。
例えば、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることも出来る。
続いて、図2(c)に示すように、レジスト222をマスクとして結晶成長抑制用マスク221をドライエッチングする。
その後、レジスト222を除去することで、面内方向に二次元的かつ周期的に配列され、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状の該マスク221が形成される。
なお、本実施例における結晶成長抑制用マスク221は、前記二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気の屈折率よりも高くn型光ガイド層233の屈折率よりも低い媒質であればよい。
例えば、シリコン窒化膜(SiNX)などを用いることも出来る。
続いて、図2(c)に示すように、レジスト222をマスクとして結晶成長抑制用マスク221をドライエッチングする。
その後、レジスト222を除去することで、面内方向に二次元的かつ周期的に配列され、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状の該マスク221が形成される。
次に、図2(d)に示すように、フォトニック結晶の形状の結晶成長抑制用マスク221が形成された活性層214上に、MOCVD法により、成長温度を1050℃、結晶成長を生じさせる反応炉内ガス雰囲気の水素比率を67%、にそれぞれ設定する。
そして、マスク221が設けられていない場所から、マスク221上への横方向成長を抑制しつつ、n型GaNからなる薄膜半導体層を結晶成長させることにより、マスク221の上に柱状空孔232を形成する。
これにより、柱状空孔232からなる二次元フォトニック結晶231が形成される。
そして、マスク221が設けられていない場所から、マスク221上への横方向成長を抑制しつつ、n型GaNからなる薄膜半導体層を結晶成長させることにより、マスク221の上に柱状空孔232を形成する。
これにより、柱状空孔232からなる二次元フォトニック結晶231が形成される。
ここで、二酸化ケイ素は、GaNと比べ、低パワーでドライエッチングすることができる。
このため、ドライエッチングする層の下に配置されている層へのダメージは、GaNのエッチングに比べ、二酸化ケイ素のエッチングの方が小さくなる。
したがって、図7に示す特許文献1の面発光レーザのように、GaNよりなるエピタキシャル層702aをドライエッチングしてフォトニック結晶層707を形成する場合と比べ、本実施例では活性層へのダメージを低減することができる。低パワーでドライエッチングすることができ、活性層へのダメージを低減可能となる。
このように、本実施例によれば、GaNと比べ、低パワーでドライエッチングすることができるマスク221を用いて結晶成長によりフォトニック結晶231を形成することで、ドライエッチングによる活性層214へのダメージを低減することが可能となる。
また、本実施例におけるマスク221の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、たとえばウェットエッチング法などであってもよい。
この場合は、活性層214へのダメージのより一層の低減が可能である。
また、柱状空孔232が形成された部位における活性層214に近い側の界面にマスク221が設けられていることにより、柱状空孔232と半導体層(本実施例の場合、活性層214)との界面における屈折率差が小さくなる。
このため、活性層214から発光した光は、マスク221が設けられていない場合に比べ、フォトニック結晶231内に進入しやすくなる。
このため、ドライエッチングする層の下に配置されている層へのダメージは、GaNのエッチングに比べ、二酸化ケイ素のエッチングの方が小さくなる。
したがって、図7に示す特許文献1の面発光レーザのように、GaNよりなるエピタキシャル層702aをドライエッチングしてフォトニック結晶層707を形成する場合と比べ、本実施例では活性層へのダメージを低減することができる。低パワーでドライエッチングすることができ、活性層へのダメージを低減可能となる。
このように、本実施例によれば、GaNと比べ、低パワーでドライエッチングすることができるマスク221を用いて結晶成長によりフォトニック結晶231を形成することで、ドライエッチングによる活性層214へのダメージを低減することが可能となる。
また、本実施例におけるマスク221の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、たとえばウェットエッチング法などであってもよい。
この場合は、活性層214へのダメージのより一層の低減が可能である。
また、柱状空孔232が形成された部位における活性層214に近い側の界面にマスク221が設けられていることにより、柱状空孔232と半導体層(本実施例の場合、活性層214)との界面における屈折率差が小さくなる。
このため、活性層214から発光した光は、マスク221が設けられていない場合に比べ、フォトニック結晶231内に進入しやすくなる。
本実施例において、活性層214と二次元フォトニック結晶231は近接して配置されているが、該活性層214と該二次元フォトニック結晶231の距離に特に限定はなく、離れていても良い。
その場合には、活性層214を形成し、n型GaNからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層することで、n型光ガイド層233の一部を形成した後、該光ガイド層上に結晶成長抑制用マスク221を形成する。
これにより、フォトニック結晶231と活性層214の距離を任意に設定可能である。
その場合には、活性層214を形成し、n型GaNからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層することで、n型光ガイド層233の一部を形成した後、該光ガイド層上に結晶成長抑制用マスク221を形成する。
これにより、フォトニック結晶231と活性層214の距離を任意に設定可能である。
次に、図2(e)に示すように、MOCVD法により、成長温度を1170℃、結晶成長を生じさせる反応炉内ガス雰囲気の水素比率を83%、にそれぞれ設定して、円柱空孔232を覆うようにn型GaNからなる薄膜半導体層を積層する。
これにより、n型GaNからなる二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層233が形成される。
続いて、n型AlGaNからなるn型クラッド層234と、n型GaNからなるn型コンタクト層235と、をこの順で形成して積層構造を形成する。
これにより、n型GaNからなる二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層233が形成される。
続いて、n型AlGaNからなるn型クラッド層234と、n型GaNからなるn型コンタクト層235と、をこの順で形成して積層構造を形成する。
次に、図2(f)に示すように、レーザリフトオフ法により、歪緩衝層202を熱分解し、基板201を剥離する。
なお、本実施例における基板201の除去方法は、上記除去方法に特に限定されるものではなく、例えば、機械研磨などの他の方法であってもよい。
続いて、ドライエッチング法により、GaNバッファ層203を剥離面242からエッチングし、p型コンタクト層211を露出させる。
なお、本実施例におけるp型コンタクト層211の露出方法は、上記露出方法に特に限定されるものではなく、他の方法であってもよい。
次に、図1に示すように、p型コンタクト層211のp型コンタクト面112にp型電極101と、n型コンタクト層136のn型コンタクト面137にn型電極103と、を形成し、面発光レーザ100が完成する。
なお、本実施例における基板201の除去方法は、上記除去方法に特に限定されるものではなく、例えば、機械研磨などの他の方法であってもよい。
続いて、ドライエッチング法により、GaNバッファ層203を剥離面242からエッチングし、p型コンタクト層211を露出させる。
なお、本実施例におけるp型コンタクト層211の露出方法は、上記露出方法に特に限定されるものではなく、他の方法であってもよい。
次に、図1に示すように、p型コンタクト層211のp型コンタクト面112にp型電極101と、n型コンタクト層136のn型コンタクト面137にn型電極103と、を形成し、面発光レーザ100が完成する。
なお、本実施例では、活性層214の上側に、二次元フォトニック結晶231を形成する場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザにおいて、二次元フォトニック結晶231の配置場所は特に限定されるものではない。
例えば、結晶成長抑制用マスク221が柱状空孔232よりも活性層214に近い側に設けられていれば、活性層214の下側に二次元フォトニック結晶231を形成するようにしてもよい。
しかし、本発明の面発光レーザにおいて、二次元フォトニック結晶231の配置場所は特に限定されるものではない。
例えば、結晶成長抑制用マスク221が柱状空孔232よりも活性層214に近い側に設けられていれば、活性層214の下側に二次元フォトニック結晶231を形成するようにしてもよい。
[実施例2]
実施例2では、実施例1のサファイア基板に代え、導電性基板を用いて作製された二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて説明する。
先ず、p型SiCからなる基板上に、MOCVD法により、p型AlGaNからなるp型クラッド層を積層した。
これ以外は、基本的に図1に示す実施例1と同様の構成を備えた面発光レーザを作製した。
但し、本実施例では、実施例1のように基板を剥離する工程は行わず、p型電極が該p型SiC基板の裏面(半導体層を積層する面と反対の面)に直接形成される。
実施例2では、実施例1のサファイア基板に代え、導電性基板を用いて作製された二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて説明する。
先ず、p型SiCからなる基板上に、MOCVD法により、p型AlGaNからなるp型クラッド層を積層した。
これ以外は、基本的に図1に示す実施例1と同様の構成を備えた面発光レーザを作製した。
但し、本実施例では、実施例1のように基板を剥離する工程は行わず、p型電極が該p型SiC基板の裏面(半導体層を積層する面と反対の面)に直接形成される。
本実施例では、実施例1と比較して、p型電極を形成する際に、基板を剥離する工程およびドライエッチング法によりGaNバッファ層を除去する工程といった複雑な工程を必要としない作製上の利点がある。
また、SiC基板は、サファイア基板と比較して、その格子定数がGaNの格子定数と近いために、作製工程(半導体層の積層工程)において、格子不整合に起因した欠陥の導入を抑制することができる。
すなわち、本実施例では、実施例1のサファイア基板を用いた場合と比較して、結晶品質の高い該レーザを作製できる利点がある。
また、SiC基板は、サファイア基板と比較して、その格子定数がGaNの格子定数と近いために、作製工程(半導体層の積層工程)において、格子不整合に起因した欠陥の導入を抑制することができる。
すなわち、本実施例では、実施例1のサファイア基板を用いた場合と比較して、結晶品質の高い該レーザを作製できる利点がある。
[実施例3]
実施例3では、二次元フォトニック結晶を構成する空孔の形状を円錐状にすることによって面発光される光の利用効率を高めた該二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて説明する。
図6に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザ600の構成を示す。
図6に示すように、該二次元フォトニック結晶631を構成する空孔632の形状が円錐状になっている。
本実施例において、該空孔632以外の構成は、実施例1と同様である。
実施例3では、二次元フォトニック結晶を構成する空孔の形状を円錐状にすることによって面発光される光の利用効率を高めた該二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて説明する。
図6に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザ600の構成を示す。
図6に示すように、該二次元フォトニック結晶631を構成する空孔632の形状が円錐状になっている。
本実施例において、該空孔632以外の構成は、実施例1と同様である。
本実施例では、フォトニック結晶の形状の結晶成長抑制用マスク621が形成された活性層615上に、MOCVD法により、徐々に横方向成長するように、成長温度を1050℃から1170℃まで上昇させながらn型GaNからなる薄膜半導体層を積層する。
これにより、マスク621上に円錐状空孔632が形成されることで、該円錐状空孔632からなる二次元フォトニック結晶631が形成される。
本実施例において、該二次元フォトニック結晶631以外の作製工程は、実施例1と同様である。
これにより、マスク621上に円錐状空孔632が形成されることで、該円錐状空孔632からなる二次元フォトニック結晶631が形成される。
本実施例において、該二次元フォトニック結晶631以外の作製工程は、実施例1と同様である。
本実施例では、二次元フォトニック結晶631を形成する空孔632が、光放出面637に向かって、円錐状に漸減していることにより、下方向(本実施例の場合、該フォトニック結晶631から活性層615に向かう方向)への1次回折光を抑え、
その分上方向(本実施例の場合、該フォトニック結晶631から光放出面637に向かう方向)への1次回折光の光量の増大を図ることができる。
また、本実施例では、非特許文献1とは異なり、活性層615の上側、すなわち、二次元フォトニック結晶631の空孔632の部位において活性層615から近い側の界面に、結晶成長抑制用マスク621が設けられている。
そのため、活性層615から光放出面637に向かって、空孔632を円錐状に漸減できるため、上記のような効果を得ることが可能となる。
その分上方向(本実施例の場合、該フォトニック結晶631から光放出面637に向かう方向)への1次回折光の光量の増大を図ることができる。
また、本実施例では、非特許文献1とは異なり、活性層615の上側、すなわち、二次元フォトニック結晶631の空孔632の部位において活性層615から近い側の界面に、結晶成長抑制用マスク621が設けられている。
そのため、活性層615から光放出面637に向かって、空孔632を円錐状に漸減できるため、上記のような効果を得ることが可能となる。
100、400、600:面発光レーザ
101、601:p側電極
103、603:n側電極
111、211、611:p型コンタクト層
112:p型コンタクト面
113、212、613:p型クラッド層
114、213、、614:p型光ガイド層
115、214、615:活性層
116:活性層表面
121、221、621:マスク
131、231、631:二次元フォトニック結晶を構成する半導体層
132、232:柱状空孔(円柱空孔)
133:円柱空孔天井面
134、233、634:二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層
135、234、635:n型クラッド層
136、235、636:n型コンタクト層
137、241、637:n型コンタクト面、および、光放出面
201:基板
202:歪緩衝層
203:GaNバッファ層
222:レジスト
242:剥離面
d:活性層と二次元フォトニック結晶との距離
401:下部クラッド層
402:二次元フォトニック結晶
403:マスク
404:柱状空孔
405:下部光ガイド層
406:活性層
407:上部光ガイド層
408:上部クラッド層
632:円錐状空孔
101、601:p側電極
103、603:n側電極
111、211、611:p型コンタクト層
112:p型コンタクト面
113、212、613:p型クラッド層
114、213、、614:p型光ガイド層
115、214、615:活性層
116:活性層表面
121、221、621:マスク
131、231、631:二次元フォトニック結晶を構成する半導体層
132、232:柱状空孔(円柱空孔)
133:円柱空孔天井面
134、233、634:二次元フォトニック結晶を含むn型光ガイド層
135、234、635:n型クラッド層
136、235、636:n型コンタクト層
137、241、637:n型コンタクト面、および、光放出面
201:基板
202:歪緩衝層
203:GaNバッファ層
222:レジスト
242:剥離面
d:活性層と二次元フォトニック結晶との距離
401:下部クラッド層
402:二次元フォトニック結晶
403:マスク
404:柱状空孔
405:下部光ガイド層
406:活性層
407:上部光ガイド層
408:上部クラッド層
632:円錐状空孔
Claims (9)
- 活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有することを特徴とする面発光レーザ。 - 前記結晶成長抑制用マスクは、前記空孔よりも高屈折率であり、かつ、前記半導体層よりも低屈折率の材料により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。
- 前記結晶成長抑制用マスクは、前記空孔が形成された部位における前記活性層との界面に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の面発光レーザ。
- 前記結晶成長抑制用マスクは、前記空孔が形成された部位における前記活性層と二次元フォトニック結晶との間に設けられた光ガイド層との界面に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の面発光レーザ。
- 前記空孔が、円錐状の形状を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 活性層と、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶を有する面発光レーザの製造方法であって、
前記活性層を備えた基板上に、二次元周期で配列された結晶成長抑制用マスクを形成する工程と、
前記結晶成長抑制用マスクが設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、前記半導体を結晶成長させることにより、該結晶成長抑制用マスク上に前記空孔を形成する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。 - 前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、該結晶成長抑制用マスクを前記活性層上または前記活性層に設けられた光ガイド層上に形成する工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記結晶成長抑制用マスクを二酸化ケイ素で形成することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記基板に導電性基板を用いることを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法。
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JP2008161996A JP2010003918A (ja) | 2008-06-20 | 2008-06-20 | 面発光レーザおよびその製造方法 |
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JP (1) | JP2010003918A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012186252A (ja) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Canon Inc | フォトニック結晶面発光レーザ |
WO2022130806A1 (ja) * | 2020-12-18 | 2022-06-23 | 住友電気工業株式会社 | フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法 |
-
2008
- 2008-06-20 JP JP2008161996A patent/JP2010003918A/ja active Pending
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