JP2012151140A - Photonic crystal surface-emitting laser and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal surface emitting laser and a manufacturing method thereof.
近年、フォトニック結晶を2次元回折格子として用いた2次元フォトニック結晶面発光レーザの研究が盛んに行われている(例えば、特許文献1参照)。
この2次元フォトニック結晶面発光レーザは、半導体と空気や誘電体などの媒質で2次元周期的に屈折率を変化させた構造が、活性層近傍に配置された構造になっている。
キャリアの注入によって活性層で発生した光は、2次元フォトニック結晶で規定する波長で帰還・増幅し発振する。
さらに、2次元フォトニック結晶で1次回折し垂直方向に光が取り出される。
フォトニック結晶面発光レーザの光の回折効果の強さは、クラッド層によって閉じ込められている光と、2次元フォトニック結晶層との重なりであるΓPhCとに比例する。
ΓPhCを向上させるには、光強度の強い活性層近傍に2次元フォトニック結晶層を配置することが望ましい。
In recent years, research on two-dimensional photonic crystal surface emitting lasers using a photonic crystal as a two-dimensional diffraction grating has been actively conducted (for example, see Patent Document 1).
This two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has a structure in which a refractive index is periodically changed between a semiconductor and a medium such as air or a dielectric in the vicinity of the active layer.
Light generated in the active layer by carrier injection is oscillated by feedback and amplification at a wavelength defined by the two-dimensional photonic crystal.
Furthermore, light is extracted in the vertical direction by first-order diffraction with a two-dimensional photonic crystal.
The intensity of the light diffraction effect of the photonic crystal surface emitting laser is proportional to the light confined by the cladding layer and Γ PhC which is the overlap of the two-dimensional photonic crystal layer.
In order to improve Γ PhC , it is desirable to arrange a two-dimensional photonic crystal layer in the vicinity of the active layer having a high light intensity.
ところで、上記特許文献1のフォトニック結晶面発光レーザは、2次元フォトニック結晶層を光分布強度の強い活性層の近傍の電子ブロック層上に配置している。
しかし、このような構造のもとでは、以下のような課題を有している。
2次元フォトニック結晶層をアンドープの半導体で構成した場合、p型クラッド層からアンドープの層を介して活性層にホールを注入することになる。
ホールは電子より移動度が低いため、2次元フォトニック結晶層の厚さに伴い活性層へのホールの注入効率が低下する。
また、光の取り出しを良くするために2次元フォトニック結晶層を厚くすると、p型クラッド層と活性層の距離がより長くなり、ホールの注入効率低下がより問題になる。
By the way, the photonic crystal surface emitting laser of Patent Document 1 has a two-dimensional photonic crystal layer disposed on an electron block layer in the vicinity of an active layer having a strong light distribution intensity.
However, under such a structure, there are the following problems.
When the two-dimensional photonic crystal layer is composed of an undoped semiconductor, holes are injected from the p-type cladding layer into the active layer via the undoped layer.
Since holes have a lower mobility than electrons, the efficiency of hole injection into the active layer decreases with the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer.
Further, if the two-dimensional photonic crystal layer is made thicker in order to improve light extraction, the distance between the p-type cladding layer and the active layer becomes longer, and a decrease in hole injection efficiency becomes more problematic.
一方、このようなホールの注入効率の低下を防ぐために、2次元フォトニック結晶層にドーピングをした場合、2次元フォトニック結晶層でのドーパントによる光の吸収が問題になる。
特に窒化物半導体でその影響が大きい。窒化物半導体では、電気抵抗の低いp型にするためにMgを1019cm-3程度ドーピングする。
波長400nm帯の光の吸収係数を比較すると、アンドープのGaNの吸収係数は数cm-1であるが、Mgを19乗ドーピングしたp−GaNは吸収係数が約100cm-1と非常に大きい。
On the other hand, when the two-dimensional photonic crystal layer is doped in order to prevent such a decrease in hole injection efficiency, light absorption by the dopant in the two-dimensional photonic crystal layer becomes a problem.
In particular, the influence is large in nitride semiconductors. In a nitride semiconductor, Mg is doped to about 10 19 cm −3 in order to obtain a p-type having a low electric resistance.
Comparing the absorption coefficient of light in the wavelength band of 400 nm, the absorption coefficient of undoped GaN is several cm −1 , but p-GaN doped with 19th power of Mg has a very large absorption coefficient of about 100 cm −1 .
以上のように2次元フォトニック結晶層を活性層近傍に配置したフォトニック結晶面発光レーザにおいて、ホールの注入効率とドーパントによる光吸収はトレードオフの関係にある。
そのため、キャリアの注入効率を維持しつつ、光吸収を抑えることができないという課題を有している。
なお、上記では窒化物半導体を例に挙げて説明したが、他の材料系においても同様の課題が生じる。
As described above, in the photonic crystal surface emitting laser in which the two-dimensional photonic crystal layer is disposed in the vicinity of the active layer, the hole injection efficiency and the light absorption by the dopant are in a trade-off relationship.
Therefore, there is a problem that light absorption cannot be suppressed while maintaining the carrier injection efficiency.
In the above description, the nitride semiconductor has been described as an example, but the same problem occurs in other material systems.
本発明は、上記課題に鑑み、光の回折効率とキャリアの注入効率が高く、且つ、光の吸収を抑えることが可能となるフォトニック結晶面発光レーザとその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention has an object to provide a photonic crystal surface emitting laser having high light diffraction efficiency and carrier injection efficiency and capable of suppressing light absorption, and a method for manufacturing the same. To do.
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、基板上に、活性層と、該活性層の近傍に設けられ面内方向に共振モードを有する2次元フォトニック結晶層と、を含む複数の半導体層が積層されたフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記2次元フォトニック結晶層は、
前記基板の面内方向に、低屈折率媒質と該低屈折率媒質よりも高屈折率の高屈折率媒質とが周期的に配列され、
前記低屈折率媒質と前記高屈折率媒質との間に、導電性を備えた側壁部材が配置されて構成されていることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、面内方向に共振モードを有する2次元フォトニック結晶層を備えたフォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
基板上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、2次元フォトニック結晶層の母材となる層を形成する工程と、
前記2次元フォトニック結晶層の母材となる層を用い、高屈折率媒質と、該高屈折率媒質より屈折率の低い低屈折率媒質である空孔とを、前記基板の面内方向に周期的に配列した層を形成する工程と、
前記高屈折率媒質と空孔とを前記基板の面内方向に周期的に配列した層を、
ドーパントを供給しながら前記高屈折率媒質がマストランスポートを起こす温度で熱処理をして、前記空孔を残しつつ、前記空孔の側壁に該高屈折率媒質よりも抵抗率の低い側壁部材を形成する工程と、を有することを特徴とする。
The photonic crystal surface emitting laser of the present invention has a plurality of semiconductor layers including an active layer and a two-dimensional photonic crystal layer provided in the vicinity of the active layer and having a resonance mode in an in-plane direction on a substrate. A stacked photonic crystal surface emitting laser,
The two-dimensional photonic crystal layer is
A low refractive index medium and a high refractive index medium having a higher refractive index than the low refractive index medium are periodically arranged in the in-plane direction of the substrate,
A side wall member having conductivity is disposed between the low refractive index medium and the high refractive index medium.
The method for manufacturing a photonic crystal surface emitting laser according to the present invention is a method for manufacturing a photonic crystal surface emitting laser having a two-dimensional photonic crystal layer having a resonance mode in an in-plane direction,
Forming an active layer on the substrate;
Forming a layer serving as a base material of a two-dimensional photonic crystal layer on the active layer;
A layer serving as a base material of the two-dimensional photonic crystal layer is used, and a high refractive index medium and a hole that is a low refractive index medium having a lower refractive index than the high refractive index medium are arranged in an in-plane direction of the substrate. Forming periodically arranged layers;
A layer in which the high refractive index medium and holes are periodically arranged in an in-plane direction of the substrate,
A side wall member having a resistivity lower than that of the high refractive index medium is provided on the side wall of the hole while heat treatment is performed at a temperature at which the high refractive index medium causes mass transport while supplying a dopant. And a step of forming.
本発明によれば、光の回折効率とキャリアの注入効率が高く、且つ、光の吸収を抑えることが可能となるフォトニック結晶面発光レーザとその製造方法を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a photonic crystal surface emitting laser and a method for manufacturing the same, which have high light diffraction efficiency and carrier injection efficiency and can suppress light absorption.
本発明によるフォトニック結晶面発光レーザの実施形態について説明する。
本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザは、基板上に、活性層と、該活性層の近傍に設けられ面内方向に共振モードを有する2次元フォトニック結晶層と、を含む複数の半導体層が積層されて構成されている。
これらの構成を図を用いて説明すると、図1において、101は基板、102はn型クラッド層、103はn側ガイド層、104は活性層、105は2次元フォトニック結晶層、106は電子ブロック層である。
107はp型クラッド層、108はp型コンタクト層、109はn電極、110はp電極である。2次元フォトニック結晶層105中の105aは高屈折率媒質、105bは低屈折率媒質、105cは側壁部材である。
An embodiment of a photonic crystal surface emitting laser according to the present invention will be described.
The photonic crystal surface emitting laser of this embodiment includes a plurality of semiconductor layers including an active layer and a two-dimensional photonic crystal layer provided in the vicinity of the active layer and having a resonance mode in an in-plane direction on a substrate. Are laminated.
These configurations will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, 101 is a substrate, 102 is an n-type cladding layer, 103 is an n-side guide layer, 104 is an active layer, 105 is a two-dimensional photonic crystal layer, and 106 is an electron. Block layer.
107 is a p-type cladding layer, 108 is a p-type contact layer, 109 is an n-electrode, and 110 is a p-electrode. In the two-dimensional
更に具体的な構成を説明すると、本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザ100は、基板101の上に順につぎの各層が設けられている。
すなわち、基板101の上に、n型クラッド層102、n側ガイド層103、活性層104、2次元フォトニック結晶層105、電子ブロック層106、p型クラッド層107、p型コンタクト層108が、この順に設けられている。
また、通電するための電極として、n電極109を基板101の裏面に備え、p電極110をp型コンタクト層108の表面に備える。
フォトニック結晶面発光レーザ100は、電極間に電圧を印加して通電することで、活性層104はキャリアが注入されて発光する。
活性層104で発生した光はn型クラッド層102とp型クラッド層107で閉じ込められる。閉じ込められた光の一部は2次元フォトニック結晶層105で共振し増幅する。
そして、増幅した光が2次元フォトニック結晶層105で垂直に回折することでレーザ光として取り出される。
More specifically, the photonic crystal
That is, an n-
Further, as an electrode for energization, an n-
The photonic crystal
Light generated in the
Then, the amplified light is diffracted vertically by the two-dimensional
つぎに、本実施形態の2次元フォトニック結晶層105の構成について説明する。
本実施形態の2次元フォトニック結晶層105は、ΓPhCを大きくするために活性層の近傍に設けられる。
具体的には、p型クラッド層107と活性層104の間に設けられる。また、2次元フォトニック結晶層105はp型クラッド層107の一部または全体にまたがっていても良い。
2次元フォトニック結晶層105は、高屈折率媒質105aと低屈折率媒質105bと側壁部材105cを備える。
高屈折率媒質105aと低屈折率媒質105bは、基板面内方向に周期的に配列される。
そして、側壁部材105cは基板面内方向に高屈折率媒質105aと低屈折率媒質105bの間に設けられる。
Next, the configuration of the two-dimensional
The two-dimensional
Specifically, it is provided between the p-
The two-dimensional
The high
The
高屈折率媒質105aはAlGaInNのIII族窒化物半導体で構成する。低屈折率媒質105bは空気、SiO2、SiN、Al2O3、AlN、TiO、TiNなどで構成する。
側壁部材105cは、ドーパントを供給しながら高屈折率媒質105aをマストランスポートさせることで形成する。
側壁部材105cは導電性を備え、p型クラッド層107から供給されるホールの通り道となる。
通電によりp型クラッド層107から供給されるホールは、側壁部材105cを経由して活性層104に注入される。
従って、2次元フォトニック結晶層105の厚さに依存せずホールの注入効率を一定にすることができる。
The high
The
The
The holes supplied from the p-
Therefore, the hole injection efficiency can be made constant regardless of the thickness of the two-dimensional
つぎに、上記した高屈折率媒質、側壁部材のドーピングについて説明する。
側壁部材105cはホールを十分に注入出来る程度に不純物がドーピングされていれば良い。
具体的にはキャリア濃度が1×1017cm3以上あればキャリアの注入経路として機能する。
より抵抗率を低くし、キャリアを注入しやすくするためには、5×1017cm3以上である。
より好ましくは1×1018cm3以上である。p型の不純物としてMg、Zn、Be等を含有する。
窒化物半導体でアクセプタとしてドーピングするMgの活性化率は数%程度である。
Mgの活性化率を約5%とすると、Mgのドーピング濃度は2×1018cm3以上であることが好ましい。
より好ましくは1×1019cm3以上である。さらに好ましくは2×1019cm3以上である。
高屈折率媒質105aは光吸収の観点からアンドープが好ましいが、光吸収が問題にならない範囲であればドーピングされていても良い。
例えば、高屈折率媒質105a全体に1017〜1018cm3程度にドーピングや、高屈折率媒質105aのp型クラッド層107側に高濃度でドーピングがされていても良い。
Next, the doping of the high refractive index medium and the side wall member will be described.
The
Specifically, if the carrier concentration is 1 × 10 17 cm 3 or more, it functions as a carrier injection path.
In order to further lower the resistivity and facilitate carrier injection, it is 5 × 10 17 cm 3 or more.
More preferably, it is 1 × 10 18 cm 3 or more. Mg, Zn, Be etc. are contained as a p-type impurity.
The activation rate of Mg doped as an acceptor in a nitride semiconductor is about several percent.
If the Mg activation rate is about 5%, the Mg doping concentration is preferably 2 × 10 18 cm 3 or more.
More preferably, it is 1 × 10 19 cm 3 or more. More preferably, it is 2 × 10 19 cm 3 or more.
The high
For example, the entire high
側壁部材105cは上記で述べたようにドーピングをする。そのため、高屈折率媒質105aと比べ側壁部材105cは吸収係数が大きい。
従って、高屈折率媒質105aと側壁部材105cの体積比に比例して2次元フォトニック結晶層105の光の吸収係数も変化する。
光の吸収を最小限に抑えるために、側壁部材105cの体積は高屈折率媒質105aの体積以下にすることが望ましい。
側壁部材105cの体積をVc、高屈折率媒質105aの体積をVaとすると、Vc/Va≦1が好ましい。より好ましくはVc/Va≦0.5である。さらに好ましくはVc/Va≦0.25である。
The
Therefore, the light absorption coefficient of the two-dimensional
In order to minimize light absorption, the volume of the
When the volume of the
つぎに、本発明のフォトニック結晶面発光レーザ100と2次元フォトニック結晶層105の製造方法について図2を用いて説明する。
まず、図2(a)に示すように、基板101上に、MOCVD装置やMBE装置などで活性層104までの構造のデバイス構造と、2次元フォトニック結晶層の母材となる半導体層205とを積層する。
次に、製膜装置から基板を取り出し電子線リソグラフィーやフォトリソグラフィーとRIEやICPなどのドライエッチング装置を用いて、半導体層に図2(b)の様な半導体層205を母材とした高屈折率媒質105aと空孔205cを形成する。
次に、p型不純物となるドーパントを供給しながら半導体層205がマストランスポートを起こす温度で熱処理をして、図2(c)のように高屈折率媒質105aの側壁に側壁部材105cを形成する。
熱エネルギーを与えることで高屈折率媒質105aの原子は結合が切れて表面を自由に拡散する。
熱処理条件と空孔205cの形状を制御することで、空孔205cを埋めることなく高屈折率媒質105aの側壁に原子をマストランスポートさせることができる。
そして、ドーパントを取り込み再付着するので、高屈折率媒質105aの側壁に高屈折率媒質105aより低抵抗な側壁部材105cを形成することができる。空孔205の幅は側壁部材105cの基板面内方向の厚さの分だけ細くなり、空気で構成される低屈折率媒質105bになる(図2(d))。
また、マストランスポート後、低屈折率媒質105b内にSiO2、SiNなどの誘電体を形成しても良い。
Next, a method for manufacturing the photonic crystal
First, as shown in FIG. 2A, on a
Next, the substrate is taken out from the film forming apparatus, and using a dry etching apparatus such as electron beam lithography, photolithography, RIE, or ICP, the semiconductor layer is made of a
Next, heat treatment is performed at a temperature at which the
By applying thermal energy, the atoms of the high refractive index medium 105a are disconnected and the surface freely diffuses.
By controlling the heat treatment conditions and the shape of the
And since a dopant is taken in and it adheres again, the
In addition, after mass transport, a dielectric such as SiO 2 or SiN may be formed in the low
上記工程により2次元フォトニック結晶層105が形成される。その後は残りの層をMOCVD装置やMBE装置などで再成長させる。
熱処理工程は専用の装置を用いても良いが、MOCVD装置やMBE装置などでも実施できる。
その際、側壁部材105cを形成する熱処理工程とその上の層の再成長する工程を同じ装置で実施出来る。
装置の基板温度と原料の制御のみで済むため、プロセス工程を増やさなくて済む。
The two-dimensional
A dedicated apparatus may be used for the heat treatment step, but the heat treatment process can also be performed using an MOCVD apparatus or an MBE apparatus.
At that time, the heat treatment step for forming the
Since it is only necessary to control the substrate temperature and raw material of the apparatus, it is not necessary to increase the number of process steps.
つぎに、マストランスポートで空孔205cを残しつつ側壁部材105cを形成するための熱処理と空孔の形状について説明する。
空孔205cの深さ/幅の比であるアスペクト比は1以上であることが望ましい。
空孔205cが浅い場合、マストランスポートによって空孔205cが埋まってしまうためである。
半導体層205を構成しているV族原子は熱処理中に気相中に脱離し易いので、熱処理中のガス雰囲気は、V族原子を含むガス雰囲気中で行う。
例えば、窒化物半導体ではNH3やジメチルヒドラジンなどを含むガス雰囲気である。
Next, the heat treatment for forming the
The aspect ratio, which is the depth / width ratio of the
This is because when the
Since the group V atoms constituting the
For example, a nitride semiconductor has a gas atmosphere containing NH 3 or dimethylhydrazine.
熱処理温度は半導体層205の成長温度より1割〜2割程度低めの温度以上で熱処理をする。以下にその理由を説明する。
表面を拡散する原子の量と原子の拡散距離は熱処理温度に依存している。
例えば、成長温度で熱処理した場合、表面での原子のマイグレーションが盛んであり拡散距離も十分に長い。
従って、数μmサイズの凹凸構造をマストランスポートで形状変化させることが可能である。
フォトニック結晶105の周期は100nm〜数100nmで、側壁部材105cは基板面内方向に数十nm〜百数十nmの厚さで形成出来ればよい。
従って、熱処理温度を成長温度より1割〜2割程度低くしても、空孔205cのサイズに対して原子の拡散距離は十分であるので、マストランスポートを用いて側壁部材105cを形成することができる。
The heat treatment is performed at a temperature of about 10% to 20% lower than the growth temperature of the
The amount of atoms diffusing on the surface and the diffusion distance of the atoms depend on the heat treatment temperature.
For example, when heat treatment is performed at the growth temperature, the migration of atoms on the surface is active and the diffusion distance is sufficiently long.
Therefore, it is possible to change the shape of a concavo-convex structure having a size of several μm by mass transport.
The period of the
Therefore, even if the heat treatment temperature is lower by about 10 to 20% than the growth temperature, the diffusion distance of atoms is sufficient with respect to the size of the
つぎに、半導体層205に空孔205cを形成し熱処理した実験結果について説明する。
図3に、GaNにフォトニック結晶の空孔205cを形成し、各条件で熱処理した実験結果を示す。
図3(a)はGaNにフォトニック結晶の空孔を形成した試料の熱処理前の断面電子顕微鏡像である。
空孔の形状は円形、深さ240nm、直径は孔上部が90nm、底部が35nmである。
この構造の試料を熱処理してマストランスポートで形状変化をさせた。
Next, experimental results obtained by forming
FIG. 3 shows the results of an experiment in which
FIG. 3A is a cross-sectional electron microscope image before heat treatment of a sample in which photonic crystal vacancies are formed in GaN.
The shape of the holes is circular, the depth is 240 nm, and the diameter is 90 nm at the top of the hole and 35 nm at the bottom.
The sample of this structure was heat-treated and the shape was changed by mass transport.
図3(b)は熱処理の温度を850℃、保持時間を30分で実施した試料の断面電子顕微鏡像である。
GaNの成長温度である約1000℃より150℃低い熱処理温度である。空孔上部から中腹にかけての直径は約50nmになり、熱処理前より細くなっている。
GaN自身が空孔内部にマストランスポートし、GaN側壁に側壁部材105cが形成されたと言える。
FIG. 3B is a cross-sectional electron microscope image of a sample that was subjected to a heat treatment temperature of 850 ° C. and a holding time of 30 minutes.
The heat treatment temperature is 150 ° C. lower than about 1000 ° C., which is the growth temperature of GaN. The diameter from the top of the hole to the middle is about 50 nm, which is thinner than before the heat treatment.
It can be said that the GaN itself was mass transported into the holes, and the
図3(c)は熱処理温度1025℃、保持時間0分で熱処理した試料の断面電子顕微鏡像である。
マストランスポートで空孔の形状が変化し、直径は約55nm、深さ約170nmになった。空孔の径が細くなったことから側壁部材105cが形成されたと言える。
さらに、空孔上部がGaNで塞がれていた。GaNの成長温度付近での熱処理であるためマストランスポートされる原子の量が多い。そのため、空孔内部の形状が大きく変化する。
また、Ga原子の拡散距離も長いためか、空孔上部でGaが付着しやすい傾向にある。
FIG. 3C is a cross-sectional electron microscope image of a sample heat-treated at a heat treatment temperature of 1025 ° C. and a holding time of 0 minutes.
With the mass transport, the shape of the holes changed, and the diameter became about 55 nm and the depth became about 170 nm. It can be said that the
Furthermore, the upper part of the hole was blocked with GaN. Since the heat treatment is performed near the growth temperature of GaN, the amount of atoms transported by mass is large. For this reason, the shape inside the hole changes greatly.
In addition, because of the long diffusion distance of Ga atoms, Ga tends to adhere to the upper part of the holes.
以上の結果から窒化物半導体において、本発明の側壁部材105cを形成する熱処理温度は850℃以上が好ましい。
図3(b)のように、成長温度より1割〜2割程度低めの温度で熱処理をした場合、マストランスポートされる原子の量が少なくなり、形状変化がゆっくり進む。
従って熱処理時間を制御することで、側壁部材105cの基板面内方向の厚さを制御することができる。
熱処理中はドーパント以外にIII族原料を供給して熱処理を行っても良い。但し、供給量が多すぎると空孔205cが埋まってしまうため、半導体層205積層時のIII族供給量より少なくすることが望ましい。
From the above results, in the nitride semiconductor, the heat treatment temperature for forming the
As shown in FIG. 3B, when heat treatment is performed at a temperature lower by about 10% to 20% than the growth temperature, the amount of mass transported atoms decreases, and the shape change proceeds slowly.
Therefore, by controlling the heat treatment time, the thickness of the
During the heat treatment, the heat treatment may be performed by supplying a group III material in addition to the dopant. However, since the
つぎに、活性層の発光波長と2次元フォトニック結晶層の厚さについて説明する。
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、半導体で構成できる波長域であれば特に限定はされないが、窒化物半導体においては緑色などの長波長領域のフォトニック結晶面発光レーザで特に効果が大きい。
フォトニック結晶での光の垂直方向へ回折量はΓPhCや2次元フォトニック結晶層の厚さで決まる。
2次元フォトニック結晶層の厚さについて述べると、2次元フォトニック結晶層の厚さdがλ/2nまでは、光の取り出しは比例して増加する。ここで、λは発光波長、nは2次元フォトニック結晶層の屈折率である。
λ/2n以降は2次元フォトニック結晶層の厚さによる干渉が発生するがほぼ一定値になる。
つまり、フォトニック結晶面発光レーザで光出力を向上するためには2次元フォトニック結晶層の厚さをλ/2n程度まで厚くすることが望ましい。
光の取り出しを大きくするために2次元フォトニック結晶層の厚さをλ/2nにする場合、発光波長λが長くなると、λ/2nもその分大きくなる。
従って、光出力を大きくする場合、紫や青で発光するフォトニク結晶面発光レーザと比べて緑領域やそれより長波長のフォトニック結晶面発光レーザでは2次元フォトニック結晶層はより厚くなる。
つまり、キャリアの注入効率とドーパントによる光吸収のトレードオフの問題がより深刻になる。
なお、以上の実施形態の説明では、窒化物半導体を中心に説明したが、本発明は他の材料にも適用することができる。
Next, the emission wavelength of the active layer and the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer will be described.
The photonic crystal surface emitting laser of the present invention is not particularly limited as long as it is a wavelength region that can be constituted by a semiconductor, but a nitride semiconductor is particularly effective in a photonic crystal surface emitting laser in a long wavelength region such as green.
The amount of diffraction in the vertical direction of light in the photonic crystal is determined by Γ PhC and the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer.
When the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer is described, the light extraction increases in proportion to the thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer up to λ / 2n. Here, λ is the emission wavelength, and n is the refractive index of the two-dimensional photonic crystal layer.
After λ / 2n, interference occurs due to the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer, but it becomes a substantially constant value.
That is, in order to improve the light output with the photonic crystal surface emitting laser, it is desirable to increase the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer to about λ / 2n.
When the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer is set to λ / 2n in order to increase the extraction of light, λ / 2n increases as the emission wavelength λ increases.
Therefore, when the light output is increased, the two-dimensional photonic crystal layer becomes thicker in the photonic crystal surface emitting laser having a longer wavelength than that of the photonic crystal surface emitting laser emitting in purple or blue.
That is, the problem of trade-off between carrier injection efficiency and light absorption by the dopant becomes more serious.
In the above description of the embodiment, the description has focused on the nitride semiconductor, but the present invention can also be applied to other materials.
以下に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1として、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの具体的な構成例について、図4を用いて説明する。
本実施例では、発光波長400nmの紫色フォトニック結晶面発光レーザを作成した。
その作成に際し、2次元フォトニック結晶層の母材にGaNを用い、GaNの成長温度より約150℃低い850℃で熱処理し側壁部材405cを形成した。
本実施においては、図4に示すように、基板401としてn−GaN基板を用いる。
次に、MOCVD装置で以下の層を順に形成する。始めに、結晶性向上のためのバッファ層411としてn−GaNを2μm成長させる。
続いて、n型クラッド層402としてn−Al0.07Ga0.93Nを800nm、n側ガイド層403としてGaNを100nm成長させる。
その上に、活性層404として3周期のIn0.10Ga0.90N/GaNの多重量子井戸を成長させる。
井戸層であるIn0.10Ga0.90Nの厚さは2.5nmであり、また障壁層であるGaNの厚さは7.5nmで発光波長は400nmである。
そして、活性層404の上に、2次元フォトニック結晶層105の母材となるGaN(405)を120nm成長させる。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
As Example 1, a specific configuration example of the photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this example, a violet photonic crystal surface emitting laser having an emission wavelength of 400 nm was prepared.
At the time of the production, GaN was used as a base material of the two-dimensional photonic crystal layer, and heat treatment was performed at 850 ° C., which is about 150 ° C. lower than the growth temperature of GaN, to form the
In this embodiment, an n-GaN substrate is used as the
Next, the following layers are formed in order with an MOCVD apparatus. First, n-GaN is grown to 2 μm as a
Subsequently, n-Al 0.07 Ga 0.93 N is grown to 800 nm as the n-
A three-period In 0.10 Ga 0.90 N / GaN multiple quantum well is grown thereon as the
The thickness of In 0.10 Ga 0.90 N that is a well layer is 2.5 nm, the thickness of GaN that is a barrier layer is 7.5 nm, and the emission wavelength is 400 nm.
Then, GaN (405) serving as a base material of the two-dimensional
次に、2次元フォトニック結晶層105をつぎのように形成する。
まず、基板をMOCVD装置から取り出し、プラズマCVDで表面にSiO2を形成する。
次に、レジストを塗布し、フォトック結晶のパターンを電子線リソグラフィーで描画する。
パターンは円形のパターンを正方格子状に配置し、直径は80nm、格子間隔は160nmで描画する。
現像後、レジストをマスクとしてCF4ガスを用いたICPでSiO2をエッチングする。
SiO2にフォトニック結晶のパターンが形成されるので、今度はSiO2をハードマスクとして、Cl2ガスを用いたICPでGaN(405)を100nmエッチングする。
エッチング後、SiO2マスクを除去することによりGaN(405)に高屈折率媒質としてGaNからなる凸部405aと空孔が形成される。
Next, the two-dimensional
First, the substrate is taken out from the MOCVD apparatus, and SiO 2 is formed on the surface by plasma CVD.
Next, a resist is applied, and a photonic crystal pattern is drawn by electron beam lithography.
As the pattern, a circular pattern is arranged in a square lattice shape, and is drawn with a diameter of 80 nm and a lattice interval of 160 nm.
After development, SiO 2 is etched by ICP using CF 4 gas with the resist as a mask.
Since the pattern of the photonic crystal is formed on the SiO 2, now the SiO 2 as a hard mask to 100nm etched GaN (405) in ICP using Cl 2 gas.
After the etching, the SiO 2 mask is removed, so that
次に、凸部405aの側壁に側壁部材405cとしてp型導電性のp−GaNを形成する。
まず、基板を再びMOCVD装置にセットする。p型不純物としてCp2Mgを供給しながらN2とNH3の混合ガス雰囲気で基板を850℃まで加熱し、昇温後30分間保持する。
Cp2Mgの供給量はp−GaN(405c)にMgが2×1018cm-3ドーピングできる供給量に調整する。
熱処理によって凸部405aのGaNが分解し、Ga原子が凸部405aの側壁へ輸送される。
そして、気相中の窒素とMgを取り込み側壁部材405cとして、凸部405aより低抵抗でp型の導電性のp−GaNが形成される。
空孔は狭くなり直径60nmになる。また空孔の底にも原子がマストランスポートされ20nm浅くなる。
Next, p-type conductive p-GaN is formed as a
First, the substrate is set again in the MOCVD apparatus. While supplying Cp 2 Mg as a p-type impurity, the substrate is heated to 850 ° C. in a mixed gas atmosphere of N 2 and NH 3 and held for 30 minutes after the temperature rise.
The supply amount of Cp 2 Mg is adjusted to such a supply amount that p-GaN (405c) can be doped with 2 × 10 18 cm −3 of Mg.
By the heat treatment, GaN in the
Then, nitrogen and Mg in the gas phase are taken in, and p-type conductive p-GaN having lower resistance than the
The pores become narrow and have a diameter of 60 nm. At the bottom of the vacancies, atoms are mass transported and become 20 nm shallow.
その後、1000℃まで加熱し、III族原料であるトリメチルガリウムを供給することでp−GaN(412)を50nm成長させる。
2次元フォトニック結晶層105の空孔上部が塞がれ、GaN(凸部405a)とp−GaN(405c)と深さが80nmの空気で構成される2次元フォトニック結晶層105が出来る。
残りの層として、電子のオーバーフローを防ぐ電子ブロック層406としてp−Al0.20Ga0.80Nを20nm、p型クラッド層407としてp−Al0.05Ga0.95Nを500nm、電極形成のためのコンタクト層408としてp−GaNを100nm順に成長させる。
基板をMOCVD装置から取り出し、n型GaN基板401の裏面にn電極409とp−GaN(408)の表面にNi/Auからなるp電極410を形成することで、フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
Then, p-GaN (412) is grown to 50 nm by heating to 1000 ° C. and supplying trimethylgallium as a group III raw material.
The upper part of the hole of the two-dimensional
As the remaining layers, p-Al 0.20 Ga 0.80 N is 20 nm as an
The substrate is taken out of the MOCVD apparatus, and the n-
[実施例2]
実施例2として、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの実施例1とは異なる構成例について、図5を用いて説明する。
本実施例では、発光波長450nmの青色フォトニック結晶面発光レーザを作成した。
その作成に際し、2次元フォトニック結晶層の母材にGaN/p−GaNの2層構造を用い、GaNの成長温度より約150℃ほど低い850℃で熱処理をして側壁部材105cを形成した。
本実施においては、図5に示すように、実施例1と同様にして以下の層を成長させる。
基板501としてn−GaN基板を用い、バッファ層511としてn−GaNを2μm、n型クラッド層502としてn−Al0.05Ga0.95Nを500nm、n側ガイド層503としてGaNを120nm成長させる。
その上に、活性層504として3周期のIn0.20Ga0.80N/GaNの多重量子井戸を成長させる。
井戸層であるIn0.20Ga0.80Nの厚さは2.5nmであり、また障壁層であるGaNの厚さは7.5nmで発光波長は450nmである。
活性層504の上に、2次元フォトニック結晶層105として厚さ110nmのGaN(5051)と厚さ30nmでMgを3×1019cm-3ドーピングしたp−GaN(5052)の2層構造505を成長させる。
[Example 2]
As Example 2, a configuration example different from Example 1 of the photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this example, a blue photonic crystal surface emitting laser having an emission wavelength of 450 nm was prepared.
At the time of the preparation, a two-dimensional structure of GaN / p-GaN was used as the base material of the two-dimensional photonic crystal layer, and heat treatment was performed at 850 ° C., which is about 150 ° C. lower than the GaN growth temperature, to form the
In this embodiment, as shown in FIG. 5, the following layers are grown in the same manner as in the first embodiment.
An n-GaN substrate is used as the
On top of this, an In 0.20 Ga 0.80 N / GaN multiple quantum well having three periods is grown as the
The thickness of In 0.20 Ga 0.80 N that is a well layer is 2.5 nm, the thickness of GaN that is a barrier layer is 7.5 nm, and the emission wavelength is 450 nm.
On the
基板をMOCVD装置から取り出し、実施例1と同様の手順で2次元フォトニック結晶層のパターンを形成する。
円形のパターンを正方格子状に配置し、直径は100nm、格子間隔は180nmで描画する。
SiO2をマスクとしてICPでGaN/p−GaNの2層構造505を110nmエッチングすることで、高屈折率媒質としてGaN/p−GaNの2層構造505を母材とする凸部505aと空孔が形成される。
The substrate is taken out from the MOCVD apparatus, and a two-dimensional photonic crystal layer pattern is formed in the same procedure as in the first embodiment.
A circular pattern is arranged in a square lattice pattern, and is drawn with a diameter of 100 nm and a lattice spacing of 180 nm.
By etching 110 nm of the GaN / p-GaN two-
次に、熱処理でマストランスポートを発生させ凸部505aの側壁に側壁部材505cとしてp型導電性のp−GaNを形成する。
p型不純物としてCp2Mgを供給しながらN2とNH3の混合ガス雰囲気で850℃まで加熱し30分間保持する。
Cp2Mgの供給量はp−GaN(505c)にMgが2×1019cm-3ドーピングできる供給量に調整する。
凸部505aのGaNが分解し、Ga原子が凸部505aの側壁へ輸送される。そして、気相中の窒素とMgを取り込み側壁部材505cとして、凸部505aより低抵抗でドーピング濃度が2×1019cm-3のp−GaNが形成される。
空孔は狭くなり直径70nmになる。また空孔の底にも原子がマストランスポートされ20nm浅くなる。
Next, mass transport is generated by heat treatment to form p-type conductive p-GaN as a
While supplying Cp 2 Mg as a p-type impurity, it is heated to 850 ° C. in a mixed gas atmosphere of N 2 and NH 3 and held for 30 minutes.
The supply amount of Cp 2 Mg is adjusted so that p-GaN (505c) can be doped with 2 × 10 19 cm −3 of Mg.
The GaN of the
The pores become narrow and have a diameter of 70 nm. At the bottom of the vacancies, atoms are mass transported and become 20 nm shallow.
次に、凸部505a上部にレジストを形成し、プラズマCVDを用いて電子線リソフグラフィーでSiO2を80nm堆積する。
リフトオフすると空孔がSiO2(505b)で埋め込まれた2次元フォトニック結晶層105が形成される。
これにより、前記空孔に前記高屈折率媒質よりも屈折率が低く、空気より屈折率の高い高屈折率媒質を形成することができる。
その後、MOCVD装置で基板を1000℃まで加熱し、III族原料であるトリメチルガリウムを供給することでp−GaN(512)を50nm成長させ、2次元フォトニック結晶層を覆う。
これにより、上記高屈折率媒質の上部側は、側壁部材よりも低抵抗の部材で構成することができる。
残りの層として、電子のオーバーフローを防ぐ電子ブロック層としてp−Al0.20Ga0.80N(506)を20nm、p型クラッド層としてp−Al0.05Ga0.95N(507)を500nm、電極形成のためのコンタクト層としてp−GaN(508)を100nm、この順に成長させる。
基板をMOCVD装置から取り出し、n型GaN基板501の裏面にn電極509とp−GaN(508)の表面にNi/Auからなるp電極510を形成することで、フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
Next, a resist is formed on the
When lifted off, a two-dimensional
Thereby, a high refractive index medium having a refractive index lower than that of the high refractive index medium and higher than that of air can be formed in the holes.
Thereafter, the substrate is heated to 1000 ° C. with an MOCVD apparatus, and trimethyl gallium, which is a group III raw material, is supplied to grow p-GaN (512) by 50 nm to cover the two-dimensional photonic crystal layer.
Thereby, the upper side of the high refractive index medium can be formed of a member having a lower resistance than the side wall member.
As the remaining layers, p-Al 0.20 Ga 0.80 N (506) is 20 nm as an electron blocking layer to prevent electron overflow, p-Al 0.05 Ga 0.95 N (507) is 500 nm as a p-type cladding layer, and an electrode is formed. As a contact layer, p-GaN (508) is grown to 100 nm in this order.
The substrate is taken out of the MOCVD apparatus, and the n-
[実施例3]
実施例3として、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの上記各実施例とは異なる構成例について、図6を用いて説明する。
本実施例では、発光波長530nmの緑色フォトニック結晶面発光レーザを作成した。
本実施例では、2次元フォトニック結晶層の母材にIn0.05Ga0.95Nを用い、GaNの成長温度付近である1025℃で熱処理をし、側壁部材の形成と同時に空孔をマストランスポートで塞いで2次元フォトニック結晶層を形成する。
2次元フォトニック結晶層の厚さをλ/2n程度である110nmで設計する。本実施例では、図6に示すように、実施例1と同様にして以下の層を成長させる。
基板601としてn−GaN基板を用い、バッファ層611としてn−GaNを2μm、n型クラッド層602としてn−Al0.04Ga0.96Nを500nm、n側ガイド層603としてGaNを120nm成長させる。
その上に、活性層604として3周期のIn0.35Ga0.65N/GaNの多重量子井戸を成長させる。
井戸層であるInGaNの厚さは2.5nm、障壁層であるGaNの厚さは7.5nmで発光波長は530nmである。
活性層604の上に2次元フォトニック結晶層105の母材となるIn0.05Ga0.95N(605)を160nm成長させる。
[Example 3]
As Example 3, a configuration example different from the above examples of the photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this example, a green photonic crystal surface emitting laser having an emission wavelength of 530 nm was prepared.
In this example, In 0.05 Ga 0.95 N is used as the base material of the two-dimensional photonic crystal layer, heat treatment is performed at 1025 ° C., which is near the growth temperature of GaN, and the vacancies are formed by mass transport simultaneously with the formation of the side wall member. A two-dimensional photonic crystal layer is formed by closing.
The thickness of the two-dimensional photonic crystal layer is designed to be 110 nm which is about λ / 2n. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the following layers are grown in the same manner as in the first embodiment.
An n-GaN substrate is used as the
On top of this, a multi-quantum well of In 0.35 Ga 0.65 N / GaN having three periods is grown as the
The thickness of InGaN as the well layer is 2.5 nm, the thickness of GaN as the barrier layer is 7.5 nm, and the emission wavelength is 530 nm.
In 0.05 Ga 0.95 N (605) serving as a base material of the two-dimensional
基板をMOCVD装置から取り出し、実施例1と同様の手順で2次元フォトニック結晶層のパターンを形成する。
円形のパターンを正方格子状に配置し、直径は110nm、格子間隔は220nmで描画する。
SiO2をマスクとしてICPでIn0.05Ga0.95N(605)を140nmエッチングすることで、高屈折率媒質としてIn0.05Ga0.95N(605)を母材とする凸部605aと空孔が形成される。
The substrate is taken out from the MOCVD apparatus, and a two-dimensional photonic crystal layer pattern is formed in the same procedure as in the first embodiment.
A circular pattern is arranged in a square lattice pattern, and is drawn with a diameter of 110 nm and a lattice spacing of 220 nm.
By etching 140 nm of In 0.05 Ga 0.95 N (605) with ICP using SiO 2 as a mask, a
次に、熱処理でマストランスポートを発生させIn0.05Ga0.95Nの側壁に側壁部材としてp型導電性のp−In0.05Ga0.95N(605c)を形成する。In源であるトリメトリインジウム(TMIn)とp型不純物としてCp2Mgを供給しながらN2とNH3の混合ガス雰囲気で1025℃まで加熱し5分間保持する。
Cp2Mgの供給量はp−In0.05Ga0.95N(605c)にMgが2×1019cm-3ドーピングできる供給量に調整する。
In0.05Ga0.95N(605)を1000℃以上の高温で熱処理するとInが脱離してしまうため、TMInも供給しながら熱処理を行う。GaNの成長温度付近で熱処理をするので、空孔への原子の流れ込みと、凸部605a上部に原子の集中が生じる。
その結果、凸部605aの側壁に側壁部材605cとして凸部605aより低抵抗なp型の導電性のp−In0.05Ga0.95Nが形成される。
また、空孔上部に厚さ30nmのp−In0.05Ga0.95Nが形成され空孔は塞がれる。空孔の直径は40nm細くなり70nmになる。
また、空孔の底に原子がマストランスポートされ20nm浅くなり、深さ110nmになり、成長温度付近の熱処理でのマストランスポートにより2次元フォトニック結晶層105が出来る。
Next, a mass of p-type conductivity as a sidewall member on the side walls of the transport caused the In 0.05 Ga 0.95 N p-In 0.05 Ga 0.95 N (605c) in the heat treatment. While supplying trimetridium (TMIn) as an In source and Cp 2 Mg as a p-type impurity, it is heated to 1025 ° C. in a mixed gas atmosphere of N 2 and NH 3 and held for 5 minutes.
The supply amount of Cp 2 Mg is adjusted to such a supply amount that p-In 0.05 Ga 0.95 N (605c) can be doped with 2 × 10 19 cm −3 of Mg.
When In 0.05 Ga 0.95 N (605) is heat-treated at a high temperature of 1000 ° C. or more, In is desorbed, heat treatment is performed while TMIn is also supplied. Since heat treatment is performed in the vicinity of the growth temperature of GaN, atoms flow into the vacancies and atoms concentrate on the top of the
As a result, p-type conductive p-In 0.05 Ga 0.95 N having a lower resistance than the
In addition, p-In 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 30 nm is formed on the top of the hole, and the hole is closed. The diameter of the hole is reduced by 40 nm to 70 nm.
In addition, atoms are mass transported at the bottom of the vacancies to become 20 nm shallow, to a depth of 110 nm, and the two-dimensional
残りの層として、電子のオーバーフローを防ぐ電子ブロック層としてp−Al0.20Ga0.80N(606)を20nm、p型クラッド層としてp−Al0.04Ga0.96N(607)を500nm、電極形成のためのコンタクト層としてp−GaN(608)を100nm、この順に成長させる。
基板をMOCVD装置から取り出し、n型GaN基板601の裏面にn電極609とp−GaN(608)の表面にNi/Auからなるp電極610を形成することで、緑色発光するフォトニック結晶面発光レーザが完成する。
As the remaining layers, p-Al 0.20 Ga 0.80 N (606) is 20 nm as an electron blocking layer to prevent the overflow of electrons, p-Al 0.04 Ga 0.96 N (607) is 500 nm as a p-type cladding layer, and an electrode is formed. As a contact layer, p-GaN (608) is grown to 100 nm in this order.
The substrate is taken out of the MOCVD apparatus, and an n-
100:フォトニック結晶面発光レーザ
101:基板
102:n型クラッッド層
103:n側ガイド層
104:活性層
105:2次元フォトニック結晶層
105a:高屈折率媒質
105b:低屈折率媒質
105c:側壁部材
106:電子ブロック層
107:p型クラッド層
108:p型コンタクト層
109:n電極
110:p電極
100: photonic crystal surface emitting laser 101: substrate 102: n-type cladding layer 103: n-side guide layer 104: active layer 105: two-dimensional
Claims (13)
前記2次元フォトニック結晶層は、
前記基板の面内方向に、低屈折率媒質と該低屈折率媒質よりも高屈折率の高屈折率媒質とが周期的に配列され、
前記低屈折率媒質と前記高屈折率媒質との間に、導電性を備えた側壁部材が配置されて構成されていることを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザ。 A photonic crystal surface-emitting laser in which a plurality of semiconductor layers including an active layer and a two-dimensional photonic crystal layer provided in the vicinity of the active layer and having a resonance mode in an in-plane direction are stacked on a substrate. And
The two-dimensional photonic crystal layer is
A low refractive index medium and a high refractive index medium having a higher refractive index than the low refractive index medium are periodically arranged in the in-plane direction of the substrate,
A photonic crystal surface emitting laser, wherein a side wall member having electrical conductivity is disposed between the low refractive index medium and the high refractive index medium.
基板上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、2次元フォトニック結晶層の母材となる層を形成する工程と、
前記2次元フォトニック結晶層の母材となる層を用い、高屈折率媒質と、該高屈折率媒質より屈折率の低い低屈折率媒質である空孔とを、前記基板の面内方向に周期的に配列した層を形成する工程と、
前記高屈折率媒質と空孔とを前記基板の面内方向に周期的に配列した層を、
ドーパントを供給しながら前記高屈折率媒質がマストランスポートを起こす温度で熱処理をして、前記空孔を残しつつ、前記空孔の側壁に該高屈折率媒質よりも抵抗率の低い側壁部材を形成する工程と、
を有することを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 A method of manufacturing a photonic crystal surface emitting laser having a two-dimensional photonic crystal layer having a resonance mode in an in-plane direction,
Forming an active layer on the substrate;
Forming a layer serving as a base material of a two-dimensional photonic crystal layer on the active layer;
A layer serving as a base material of the two-dimensional photonic crystal layer is used, and a high refractive index medium and a hole that is a low refractive index medium having a lower refractive index than the high refractive index medium are arranged in an in-plane direction of the substrate. Forming periodically arranged layers;
A layer in which the high refractive index medium and holes are periodically arranged in an in-plane direction of the substrate,
A side wall member having a resistivity lower than that of the high refractive index medium is provided on the side wall of the hole while heat treatment is performed at a temperature at which the high refractive index medium causes mass transport while supplying a dopant. Forming, and
A method for producing a photonic crystal surface emitting laser, comprising:
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