JP2023083606A - 面発光レーザ素子及び面発光レーザ素子の製造方法 - Google Patents

面発光レーザ素子及び面発光レーザ素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】フォトニック結晶層を伝搬する光波に対する結合係数が大きく、低閾値電流密度で発振動作が可能な、フォトニック結晶を備えた面発光レーザ素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】III族窒化物半導体からなる面発光レーザ素子であって、第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成され、層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を有するフォトニック結晶層と、当該フォトニック結晶層上に形成されて当該空孔を閉塞する第１の埋込層と、を有する第１導電型の第１のガイド層と、第１の埋込層上に結晶成長された第２埋込層と、第２の埋込層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２のガイド層と、第２のガイド層上に形成された第１導電型と反対導電型の第２導電型の第２のクラッド層と、を有し、第１の埋込層の表面は、当該空孔に対応した表面位置に配されたピットを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、面発光レーザ素子及び面発光レーザ素子の製造方法に関する。
近年、フォトニック結晶を用いた面発光レーザの開発が進められており、例えば、特許文献１には、融着貼り付けを行なわずに製造することを目的とした半導体レーザ素子について開示されている。
また、特許文献２には、フォトニック結晶の微細構造をＧａＮ系半導体に作製する製造法が開示されている。非特許文献１には、減圧成長により横方向成長の速度を高め、フォトニック結晶を作製することが開示されている。
また、非特許文献２には、フォトニック結晶レーザの面内回折効果と閾値利得差について開示され、非特許文献３は、正方格子フォトニック結晶レーザの三次元結合波モデルについて開示されている。
特許第５０８２４４７号公報 特許第４８１８４６４号公報
H. Miyake et al. : Jpn. J. Appl. Phys.Vol.38(1999) pp.L1000-L1002 田中他、２０１６年秋季応用物理学会予稿集15p-B4-20 Y. Lian et al.:Phys. Rev.B Vol.84(2011)195119
フォトニック結晶を備えた面発光レーザにおいて、低閾値電流密度で発振動作させるためには共振器損失を低減する必要がある。フォトニック結晶面発光レーザにおいて共振器損失を低減するためには、フォトニック結晶層に平行な方向に伝搬する光波の結合係数（（１次元結合係数：κ3）を大きくすることが有効である。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、フォトニック結晶層を伝搬する光波に対する結合係数が大きく、低閾値電流密度で発振動作が可能な、フォトニック結晶を備えた面発光レーザ及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明の１実施態様による面発光レーザ素子は、III族窒化物半導体からなる面発光レーザ素子であって、
第１導電型の第１のクラッド層と、
第１のクラッド層上に形成され、層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を有するフォトニック結晶層と、当該フォトニック結晶層上に形成されて当該空孔を閉塞する第１の埋込層と、を有する第１導電型の第１のガイド層と、
第１の埋込層上に結晶成長された第２埋込層と、
第２の埋込層上に形成された活性層と、
活性層上に形成された第２のガイド層と、
第２のガイド層上に形成された第１導電型と反対導電型の第２導電型の第２のクラッド
層と、を有し、
第１の埋込層の表面は、当該空孔に対応した表面位置に配されたピットを備えている。
本発明の他の１実施態様によるによる面発光レーザ素子を製造する製造方法は、
（ａ）基板上に第１導電型の第１のクラッド層を成長する工程と、
（ｂ）第１のクラッド層上に第１導電型の第１のガイド層を成長する工程と、
（ｃ）第１のガイド層に、エッチングにより第１のガイド層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された穴部を形成する工程と、
（ｄ）窒素源を含むガスを供給して、マストランスポートにより、当該穴部の開口部を塞ぐ第１の埋込層を形成する工程と、
（ｅ）第１の埋込層の形成後、III族原料を供給し、第１の埋込層を埋め込んで平坦化する第２の埋込層を形成する工程と、を有し、
上記（ｄ）工程において、第１の埋込層の表面は、当該空孔に由来するピットを有している。
本発明の実施形態のフォトニック結晶層を備えた面発光レーザ素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。 図１のフォトニック結晶層及びフォトニック結晶層中に配列された空孔（キャビティ）を模式的に示す拡大断面図である。 空孔ＣＨの形成工程を模式的に示す断面図である。 空孔ＣＨの形成後の工程におけるガイド層基板の表面のＳＥＭ像を示す図である。 空孔ＣＨの形成後の工程におけるガイド層基板の断面のＳＥＭ像を示す図である。 ｎ－ガイド層１４の空孔ＣＨが埋め込まれた部分の断面ＳＥＭ像を示す図である。 図５Ａに示す断面を模式的に示す図である。 第１の埋込層１４Ａの表面モフォロジを示すＡＦＭ像である。 図６ＡのＡ－Ａ線に沿った断面の表面粗さを示すグラフである。 図６ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面の表面粗さを示すグラフである。 ｎ－ガイド層１４の空孔１４Ｃが埋め込まれた部分の断面ＳＥＭ像を示す図である。 図７Ａに示す断面を模式的に示す図である。 第２の埋込層２１の表面モフォロジを示すＡＦＭ像である。 図８ＡのＡ－Ａ線に沿った断面の表面粗さを示すグラフである。 結合波方程式により光結合係数κ3を算出するために用いたＧａＮ系フォトニック結晶面発光レーザ素子の断面構造を示す図である。 埋込層１４Ｄの層厚ＤＰ（活性層１５及びフォトニック結晶層１４Ｐ間の距離）に対する結合係数κ3の変化を示すグラフである。 埋込層１４Ｄの層厚ＤＰに対する閾値利得の変化を示すグラフである。 本実施例の比較例である、空孔の埋込方法を示す模式図である。 本実施例の半導体構造層１１のＳＩＭＳ分析の結果を示すグラフである。
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［フォトニック結晶面発光レーザの閾値利得］
一般的に、フォトニック結晶面発光レーザ（以下、単にフォトニック結晶レーザともいう。）において、共振器内部の回折格子の回折効率は結合係数κで表され、結合係数κが大きいほど閾値利得は小さくなる。
フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層に平行な面内を伝搬する光波は、光波の進行方向に対して±180°方向だけでなく、±90°方向にも回折される。したがって、±180°方向に伝搬する光波の光結合係数κ3（１次元結合係数）に加え、±90°に伝搬する光波の光結合係数κ2D（２次元結合係数）が存在する。
すなわち、フォトニック結晶を有する面発光レーザでは、面内を伝搬する光波はフォトニック結晶の回折効果により回折され２次元的な共振モードを形成する。ここで、フォトニック結晶によって回折されない光の成分が面内方向に漏れると共振器損失が増大し、閾値利得の増大につながる。したがって、この共振器損失を抑制することができれば、閾値利得を低減することができ、低閾値電流密度で発振動作させることができる。
フォトニック結晶面発光レーザにおいて共振器損失を低減し、低閾値電流密度で発振動作させるために、フォトニック結晶層面内を伝搬する光波の結合係数（κ3）を大きくすることが有効である。
［フォトニック結晶面発光レーザの構造の一例］
図１は、フォトニック結晶層を備えた面発光レーザ素子（以下、単にフォトニック結晶レーザともいう。）１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。図１に示すように、半導体構造層１１が基板１２上に形成されている。より詳細には、基板１２上に、ｎ－クラッド層１３、第１の埋込層１４Ａを含むｎ－ガイド層１４、第２の埋込層２１、活性層１５、ガイド層１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７、ｐ－クラッド層１８がこの順で順次形成されている。すなわち、半導体構造層１１は半導体層１３、１４、１５、１６、１７、１８から構成されている。また、ｎ－ガイド層１４は、フォトニック結晶層１４Ｐを含んでいる。また、半導体構造層１１は、六方晶系の窒化物半導体からなる。例えば、ＧａＮ系半導体からなる。
また、基板１２上（裏面）にはｎ電極１９Ａが形成され、ｐ－クラッド層１８上（上面）にはｐ電極１９Ｂが形成されている。例えば、ｐ電極１９Ｂは、フォトニック結晶領域を囲む円環状等適宜な形状で形成することができる。
この場合、面発光レーザ素子１０からの光は、活性層１５に垂直な方向に半導体構造層１１の上面（すなわち、ｐ－クラッド層１８の表面）から外部に取り出される。
なお、面発光レーザ素子１０からの光は、半導体構造層１１の下面側から外部に取り出される構造とすることもでき、その場合において、例えば、ｎ電極１９Ａを円環状に形成し、ｐ電極１９Ｂをｎ電極１９Ａの中心に対向する位置に設けることができる。
図２は、図１のフォトニック結晶層１４Ｐ及びフォトニック結晶層１４Ｐ中に配列された空孔（キャビティ）１４Ｃを模式的に示す拡大断面図である。空孔１４Ｃは、結晶成長面（半導体積層面）、すなわちｎ－ガイド層１４に平行な面（図中、Ａ－Ａ断面）において、例えば正方格子状に周期ＰＣを有して、それぞれ正方格子点位置に２次元配列されてｎ－ガイド層１４内に埋め込まれて形成されている。なお、空孔１４Ｃの配列は正方格子状に限らず、三角格子状、六角格子状等の周期的な２次元配列であればよい。
ｎ－ガイド層１４は、２次元配列された空孔１４Ｃの上面上の半導体層（すなわち、空孔１４Ｃの上面をその底面とする半導体層）であって、フォトニック結晶層（ＰＣＬ）１４Ｐを埋め込む第１の埋込層１４Ａと、フォトニック結晶層（ＰＣＬ）１４Ｐと、フォトニック結晶層（ＰＣＬ）１４Ｐよりも基板側の結晶層であるベース層１４Ｂとから構成されている。また、第１の埋込層１４Ａ上には第２の埋込層２１が形成されている。
［フォトニック結晶面発光レーザの共振効果］
フォトニック結晶部を備えた面発光レーザ（以下、単にフォトニック結晶面発光レーザという場合がある。）において共振効果を得るためには、フォトニック結晶部での回折効果が高いことが望まれる。
すなわち、フォトニック結晶面発光レーザにおいて回折効果を高めるためには、
（１）発振波長をλ、フォトニック結晶部の実効的な屈折率をｎeffとしたとき、フォトニック結晶部における２次元的な屈折率周期Ｐが、正方格子２次元フォトニック結晶の場合はＰ＝ｍλ／ｎeff（ｍは自然数）を、三角格子２次元フォトニック結晶の場合はＰ＝ｍλ×２／(３1/2×ｎeff)（ｍは自然数）を満たす、
（２）フォトニック結晶部における母材に対する異屈折率領域の占める割合（ＦＦ：フィリングファクタ）が十分に大きい、
（３）フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布のうち、フォトニック結晶部に分布する光強度の割合（ΓPC：閉じ込め係数）が十分に大きい、ことが望まれる。
上記（１）を満たすためには、フォトニック結晶レーザの発振波長に合わせてフォトニック結晶の格子定数（周期ＰＣ）を適切に設定する必要がある。ここで、屈折率周期Ｐ＝周期ＰＣであるため、上記（１）を満たすＰに基づいてＰＣを設定することができる。例えば、窒化ガリウム系の材料を用いて波長４０５ｎｍで発振する場合においては、ｎeffが２．５程度であるため、正方格子２次元フォトニック結晶を用いる場合、格子定数を１６３ｎｍ程度とするとよい。
尚、正方格子２次元フォトニック結晶では光波の回折される方向と格子の配列方向が等しいが、三角格子２次元フォトニック結晶では光波は格子の配列方向から３０°傾いた方向に回折される。これにより、上記（１）において、三角格子２次元フォトニック結晶が満たすＰには、２/３1/2を乗じている。
［クラッド層及びガイド層の成長］
半導体構造層１１の作製工程について以下に詳細に説明する。結晶成長方法としてＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法を用い、常圧（大気圧）成長により成長基板１２上に半導体構造層１１を成長した。
半導体構造層１１の成長用基板として、ａ軸に沿ってｃ軸が０．４°傾いた、成長面が＋ｃ面のｎ型ＧａＮ基板１２を用いた。ｃ軸の傾き（オフ角）はＧａＮ系半導体でエピタキシャル成長可能な範囲で適宜変更してもよい。基板１２上に、ｎ－クラッド層１３としてＡｌ（アルミニウム）組成が４％のｎ型ＡｌＧａＮ（層厚：２μｍ）を成長した。III
族のＭＯ（有機金属）材料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｖ族材料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ドーピング材料としてシラン（ＳｉＨ4）を供給した。室温でのキャリア密度は、およそ２×１０18ｃｍ-3であった。
続いて、ＴＭＧ及びＮＨ3を供給し、ｎ－ガイド層１４としてｎ型ＧａＮ（層厚：３００ｎｍ）を成長した。また、シラン（ＳｉＨ4）を成長と同時に供給しドーピングを行った。キャリア密度は、およそ２×１０18ｃｍ-3であった。
［ガイド層への空孔形成］
ｎ－ガイド層１４を成長後の基板、すなわちｎ－ガイド層１４付きの基板（以下、ガイド層基板ともいう。）をＭＯＶＰＥ装置から取り出し、ｎ－ガイド層１４に微細な空孔（ホール）を形成した。図３及び図４Ａ、図４Ｂを参照して、空孔の形成について以下に詳細に説明する。なお、図３は当該空孔ＣＨの形成工程を模式的に示す断面図である。また、図４Ａ、図４Ｂは、それぞれ空孔ＣＨの形成後の工程におけるガイド層基板の表面及び断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）の像を示している。なお、図４Ｂは、図４Ａの表面ＳＥＭ像中に示した破線（白色）に沿った断面ＳＥＭ像が示されている。
基板１２上にｎ－クラッド層１３及びｎ－ガイド層１４を成長したガイド層基板の洗浄を行い清浄表面を得た（図３、(i)）。その後、プラズマＣＶＤによってシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）ＳＮを成膜（膜厚１１０ｎｍ）した（図３、(ii)）。
次に、ＳｉＮｘ膜ＳＮ上に電子線（ＥＢ：Electron Beam）描画用レジストＲＺをスピンコートで３００ｎｍ程度の厚さで塗布し、電子線描画装置に入れてガイド層基板の表面上において２次元周期構造を有するパターンを形成した（図３、(iii)）。より具体的には、直径が１００ｎｍ の円形状のドットを周期ＰＣ＝１６３ｎｍで正方格子状にレジストＲＺの面内で２次元配列したパターニングを行った。
パターニングしたレジストＲＺを現像後、ＩＣＰ－ＲＩＥ（Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）装置によってＳｉＮｘ膜ＳＮを選択的にドライエッチングした（図３、(iv)）。これにより、面内周期ＰＣで正方格子状に２次元配列された円柱状の貫通孔がＳｉＮｘ膜ＳＮに形成された。
続いて、レジストＲＺを除去し、パターニングしたＳｉＮｘ膜ＳＮをハードマスクとしてｎ－ガイド層１４（ＧａＮ）の表面から内部に至る空孔ＣＨを形成した。より具体的には、ＩＣＰ－ＲＩＥ装置において塩素系ガスを用いてドライエッチングすることにより、ｎ－ガイド層１４に２次元配列された空孔ＣＨを形成した（図３、(v)）。
このときのｎ－ガイド層１４に形成された空孔ＣＨの表面ＳＥＭ像及び断面ＳＥＭ像をそれぞれ図４Ａ及び図４Ｂに示す。表面ＳＥＭ像に示すように、正方格子状（すなわち、正方格子点）に２次元的に、空孔間の間隔（周期）ＰＣが１６３ｎｍで配列された複数の空孔ＣＨが形成された。また、図４Ｂの断面ＳＥＭ像に示すように、ｎ－ガイド層１４に形成された空孔ＣＨの深さは約１５０ｎｍ、空孔ＣＨの直径は約１００ｎｍであった。すなわち、空孔ＣＨは上面で開口する穴（ホール）であり、略円柱形状を有していた。
［第１の埋込層］
ｎ－ガイド層１４に２次元的な周期性を持つ空孔ＣＨを形成したガイド層基板のＳｉＮｘ膜ＳＮをフッ酸（ＨＦ）を用いて除去し（図３、(vi)）、洗浄を行って清浄表面を得、再度ＭＯＶＰＥ装置内に導入した。
ＭＯＶＰＥ装置内において、III族原料を供給すること無く、窒素源としてＮＨ3を供給しながら昇温し、ガイド層基板を１１５０℃まで加熱し、昇温後１分（１min）間のアニーリングを行うことで、マストランスポートによって空孔ＣＨを閉塞し、第１の埋込層１４Ａを形成した。なお、雰囲気ガスとして窒素（Ｎ2）を供給した。
ｎ－ガイド層１４の空孔ＣＨが埋め込まれた部分の断面ＳＥＭ像を図５Ａに、その模式的な断面図を図５Ｂに示す。図５Ａ、図５Ｂに示すように、内側面が｛１０－１１｝ファセット（所定の面方位のファセット）からなり、幅（ＷＣ）が７０ｎｍ、深さ（ＨＣ）が１１８ｎｍの六角柱構造の空孔（キャビティ）１４Ｃが形成された。より詳細には、空孔１４Ｃの活性層１５側の面（上面）には（０００－１）面が、空孔１４Ｃの側面には｛１０－１０｝面が現れ、基板１２側の底部は｛１－１０２｝ファセットが現れた。
このとき、ｎ－ガイド層１４の上部には、空孔１４Ｃの上面がなす平面からｎ－ガイド層１４の表面に至る第１の埋込層１４Ａが形成された。第１の埋込層１４Ａの層厚（Ｄ１）は２６ｎｍであった。
図６Ａは、第１の埋込層１４Ａの表面モフォロジを示す原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）の像であり、図６Ｂは、図６ＡのＡ－Ａ線に沿った断面の表面粗さを示すグラフであり、図６Ｃは、図６ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面の表面粗さを示すグラフである。第１の埋込層１４Ａの表面はＧａＮ（０００１）面から構成され、周期ＰＣ（＝１６３ｎｍ）と同程度の幅でバンチングしたステップ・テラス構造となっていることが確認された。
また、図６Ａに示すように、第１の埋込層１４Ａの表面には、空孔１４Ｃに対応した表面位置に、空孔１４Ｃの周期で正方格子状にピットＰＴが現れていることが確認された。つまり、空孔１４Ｃに対して結晶方位［０００１］上にピットＰＴが現れており、本実施形態では、第１の埋込層１４Ａを上面視した場合に、ピットＰＴは、空孔１４Ｃに重なる位置に現れていることが確認された。すなわち、第１の埋込層１４Ａの表面には空孔１４Ｃに由来した又は起因したピットＰＴが現れている。なお、結晶のオフ角が大きい場合には、第１の埋込層１４Ａを上面視した場合に、ピットＰＴは、空孔１４Ｃ上に重ならない場合もあり得るが、空孔１４Ｃに対して結晶方位［０００１］上に現れる。
なお、第１の埋込層１４Ａの形成においては、第１の埋込層１４Ａの表面にピットＰＴが２次元配列した規則的な配列状態を呈している必要は無い。第１の埋込層１４Ａの表面にピットＰＴが残存している表面状態であるように、マストランスポートによって第１の埋込層１４Ａが形成されていればよい。
また、第１の埋込層１４Ａは、ＧａＮに限らない。第１の埋込層１４Ａとして、他の結晶、例えば３元結晶、４元結晶のＧａＮ系半導体結晶層を形成してもよく、ｎ－クラッド層１３より屈折率が高いことが好ましい。例えば、ｎ－クラッド層１３よりＡｌ組成の低いＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを用いることができる。
［第２の埋込層］
第１の埋込層１４Ａの形成後、温度を１１５０℃に保ったまま、III族材料ガス（ＴＭＧ）及びＶ族材料ガス（ＮＨ3）を供給することで第２の埋込層２１を形成した。なお、本実施例においては、同時に水素（Ｈ2）を供給した。
このときのｎ－ガイド層１４の空孔１４Ｃが埋め込まれた部分の断面ＳＥＭ像を図７Ａに、その模式的な断面図を図７Ｂに示す。
空孔１４Ｃの形状を変化させることなく第２の埋込層２１を形成できた。この場合の第１の埋込層１４Ａの厚さ（Ｄ１＝２６ｎｍ）と第２の埋込層２１の厚さ（Ｄ２＝３４ｎｍ）の合計は６０ｎｍであった。
図８Ａ、図８Ｂは、それぞれ第２の埋込層２１の表面モフォロジを示すＡＦＭ像、図８ＡのＡ－Ａ線に沿った断面の表面粗さを示すグラフである。
図８Ｂに示すように、第２の埋込層２１の表面はステップ高さがＧａＮの１バイレイヤーの高さのステップ・テラス構造になっており、原子的に平坦なＧａＮの（０００１）表面が得られたことが確認された。
上記したように、第１の埋込層１４Ａの形成においては、第１の埋込層１４Ａの表面にピットＰＴが現れている表面状態であるように、マストランスポートによる埋め込みが終了し、第１の埋込層１４Ａが形成されている。なお、第１の埋込層１４Ａの表面に、少なくとも部分的にピットＰＴが規則的に配列され残存している状態であるように、第１の埋込層１４Ａが形成されていることが好ましい。
これは、第１の埋込層１４Ａの形成時において、マストランスポートの際にＧａおよび／またはＧａＮからなるマイグレーション原子および／または分子でピットＰＴが完全に埋設され、他の部分と同等な表面状態になると、マイグレーション原子および／または分子が第１の埋め込み層１４Ａに残存する欠陥や転移のある部分に凝集して、ヒロック（凸部）を形成し、第２の埋込層２１の平坦化を阻害するからである。
また、ピットＰＴが第２の埋込層２１の成長（再成長）の際の起点となって、あるいは必ずしも規則的ではなくともピットＰＴが残存している表面状態であれば、第２の埋込層２１の均一化、平坦化が実現されるからである。
なお、ピットＰＴを埋め込んで平坦化するために、第２の埋込層２１の層厚は第１の埋込層１４Ａの層厚よりも大であることが好ましい。
なお、第２の埋込層２１としてＧａＮを成長する場合を例に説明したが、第２の埋込層２１の結晶組成は第１の埋込層１４Ａと異なっていてもよい。第２の埋込層２１として、他の結晶、例えば３元結晶、４元結晶のＧａＮ系半導体結晶層を形成してもよい。例えば、第２の埋込層２１としてＩｎＧａＮ層などＩｎを組成に含む結晶層を用いることができる。また、第２の埋込層２１として第１の埋込層よりも発光波長に対する屈折率が高い結晶層を形成することによってＧａＮ結晶層の場合よりも結合係数κ3を大きくすることができる。また、第２の埋込層２１を形成する温度は、構成材料がＧａＮの場合は７５０℃乃至１１５０℃、ＩｎＧａＮの場合は７５０℃乃至９００℃の範囲内であることが好ましい。
［活性層、ｐ側半導体層の成長］
続いて活性層１５として、多重井戸（ＭＱＷ）層を成長した。ＭＱＷのバリア層及び井戸層はそれぞれＧａＮ及びＩｎＧａＮであった。バリア層の成長は、基板を８００℃まで降温後、III族原子の供給源としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を、窒素源としてＮＨ3を供給して行った。また、井戸層の成長はバリア層と同じ温度で、III族原子の供給源としてＴＥＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を、窒素源としてＮＨ3を供給して行った。なお、本実施例における活性層１５からのＰＬ（Photoluminescence）発光の中心波長は４１０ｎｍであった。
活性層１５の成長後、基板を８００℃に保ち、ｐ側ガイド層１６を１００ｎｍの層厚で成長した。ｐ側ガイド層１６は、ＴＥＧ及びＮＨ3を供給し、ドーパントをドープしないアンドープのＧａＮ（ｕ－ＧａＮ）として成長した。
ｐ側ガイド層１６の成長後、基板温度を１０５０℃まで速度で昇温し、電子障壁層（ＥＢＬ）１７、ｐ－クラッド層１８を成長した。ＥＢＬ１７の成長はIII族原子源としてＴＭＧ及びＴＭＡを供給し、窒素源としてＮＨ3を供給して行った。また、ｐ－クラッド層１８はIII族原子源としてＴＭＧ及びＴＭＡを供給し、窒素源としてＮＨ3を供給して行った。ＥＢＬ１７及びｐ－クラッド層１８のそれぞれの層のＡｌ濃度は１８％、６％、層厚は１７ｎｍ、６００ｎｍであった。また、ＥＢＬ１７及びｐ－クラッド層１８の成長時において、それぞれドーパントとしてＣｐ2Ｍｇ（Bis-cyclopentadienyl magnesium）をIII族原子源ガス及び窒素源と同時に供給した。大気中で７００℃、５min間のアクチベーションをしたときの、ｐ－クラッド層（ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層）１８のキャリア密度は４×１０17ｃｍ-3であった。
［結合係数κ3］
上記したように、フォトニック結晶面発光レーザにおいて共振器損失を低減し、低閾値電流密度で発振動作させるために、フォトニック結晶層１４Ｐ面内を伝搬する光波の結合係数κ3を大きくすることが有効である。
この点を検討するため、図９に示す構造のＧａＮ系フォトニック結晶面発光レーザ素子について、結合波方程式を解くことで光結合係数κ3を算出した。
なお、図９に示す、光結合係数κ3の算出に用いたフォトニック結晶面発光レーザは、ｎ－クラッド層１３（ｎ－Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎ：層厚2,000ｎｍ）、ｎ－ガイド層１４（ｎ－ＧａＮ：層厚120ｎｍ）、フォトニック結晶層１４Ｐ（ｎ－ＧａＮ：層厚120ｎｍ）、埋込層１４Ｄ（ｎ－ＧａＮ：層厚ＤＰ＝0～120ｎｍ）、活性層１５（量子井戸層（ｕ－Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ）が２層のＭＱＷ）、ｐ側ガイド層１６（ｕ－ＧａＮ：層厚120ｎｍ）、ＥＢＬ１７（ｐ－Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ：層厚17ｎｍ）、ｐ－クラッド層１８（ｐ－Ａｌ0.06Ｇａ0..94Ｎ：層厚600ｎｍ）がこの順で積層された構造を有している。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、埋込層１４Ｄの層厚ＤＰ、すなわち活性層１５及びフォトニック結晶層１４Ｐ間の距離に対する、それぞれ結合係数κ3及び閾値利得の変化を示している。なお、フィリングファクタ（ＦＦ）が６％の場合を示している。
図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、結合係数κ3を大きくし、低閾値電流密度で発振動作させるためには、第１の埋込層１４Ａ及び第２の埋込層２１の合計層厚（又は活性層１５及びフォトニック結晶層１４Ｐ間の距離）ＤＰは１００ｎｍ以下であることが好ましいことが分かる。また、当該合計層厚は２０ｎｍ～１００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
上記したように、本実施例においては、ｎ－ガイド層１４に２次元的な周期性を持つ空孔ＣＨを形成したガイド層基板に、
(i) 窒素源を含むガスを供給しながらアニーリングすることで、マストランスポートにより空孔の開口部を塞ぎ第１の埋込層を形成し、
(ii) III族原料及び窒素源を含むガスを供給して第１の埋込層を形成している。
マストランスポートが発生する温度まで昇温すると空孔形状は最も表面エネルギーが小さくなるように変化する。すなわち、例えばｃ面ＧａＮの空孔の側面は、ダングリングボンド密度が小さい｛１０－１０｝面へと変形する。また、アニーリングにより空孔は閉塞され、表面が（０００１）面より構成される第１の埋込層が形成される。このとき、第１の埋込層の表面は空孔の周期間隔と同じ幅でバンチングしたステップ・テラス構造となる。アニーリング温度はマストランスポートが発生する温度であるため、空孔ＣＨを閉塞する際のアニーリング温度は、ｎ－ガイド層をＧａＮで構成した場合、１０００℃ないし１２００℃の範囲内であることが好ましい。
また、第１の埋込層は、空孔を形成するｎ－ガイド層と同じ元素によって構成される。
第２の埋込層は、III族原料を供給し、新たに層を成長する。したがって、第１の埋込層のように空孔を形成するｎ－ガイド層と同じ元素で構成されている必要はない。ただし、光閉じ込めの観点からも、第１の埋込層と同程度またはそれ以上の屈折率を有する材料で構成されていることが好ましい。
第２の埋込層により、第１の埋込層のバンチングしていた表面構造が回復し、ステップ高さが１バイレイヤーのステップ・テラス構造の表面が得られる。したがって、第２の埋込層の表面は原子的に平坦な（０００１）面となる。
上記方法により、ＧａＮ系フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層と活性層との距離を１００ｎｍ以下とすることができる。すなわち、ＧａＮ系材料フォトニック結晶面発光レーザにおいて、光結合係数κ3を大きくすることができ、低閾値電流密度で発振動作させることのできるフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
［比較例の空孔埋込方法及び構造］
図１１は、上記実施例の比較例である、空孔の埋込方法を示す模式図である。ｎ－ガイド層１４に２次元的な周期性を持つ空孔ＣＨを形成したガイド層基板のＳｉＮｘ膜ＳＮをフッ酸（ＨＦ）を用いて除去し、洗浄を行って清浄表面を得、再度ＭＯＶＰＥ装置内に導入した点は上記実施例と同様である（図１１(a)）。
この比較例においては、ＭＯＶＰＥ装置内において、ガイド層基板を１０５０℃に加熱し、III族材料ガス（ＴＭＧ）及びＶ族材料ガス（ＮＨ3）を供給することで、基板表面に｛１０－１１｝ファセットを有する凹部を形成するように結晶成長を行って、空孔ＣＨの開口部を閉塞した（図１１(b)）。
このとき、埋め込まれた空孔ＣＨの上面である（０００－１）面とｎ－ガイド層１４の最表面の（０００１）面との距離Ｅ１はおよそ１４０ｎｍであった（図１１(b)）。
空孔ＣＨが｛１０－１１｝ファセットで閉塞された後、III族材料ガスの供給を停止し、Ｖ族材料ガス（ＮＨ3）を供給しながら100℃/minの昇温速度で１１５０℃まで昇温し、温度を１分保持した。これにより、ｎ－ガイド層１４の表面に形成されていた｛１０－１１｝ファセットは消失し、表面は平坦な（０００１）面となった。すなわち、マストランスポートによって表面が平坦化された。
このとき、埋め込まれて形成された空孔（キャビティ）１４Ｃの活性層１５側の面（上面、（０００－１）面）と、ｎ－ガイド層１４の表面（すなわち、（０００１）面）との間の距離Ｅ２はおよそ１０５ｎｍであった。
すなわち、この比較例の空孔埋込方法によれば、｛１０－１１｝ファセットが優先的に成長して空孔を閉塞し、その後アニーリングにより表面に（０００１）面を形成している。この製造方法では、フォトニック結晶層１４Ｐから活性層１５の間の距離を１００ｎｍ程度までしか薄くすることができない。すなわち、この方法ではＧａＮ系フォトニック結晶面発光レーザにおいて光結合係数κ3を大きくすることができず、低閾値電流密度で発振動作させることが困難である。
［結晶性：ＳＩＭＳ分析］
エッチングによりｎ－ガイド層１４に空孔ＣＨを形成する際には、酸素の取り込みが生じるため、第１の埋込層にも非意図的に酸素が取り込まれる。
上記の実施例においては、III族材料ガス（ＴＭＧ）及びＶ族材料ガス（ＮＨ3）と水素（Ｈ2）とを供給して第２の埋込層２１を形成するため、第２の埋込層２１に非意図的に取り込まれる酸素は激減する。例えば、第２の埋込層２１に取り込まれる酸素は５×１０16ｃｍ-3以下となる。
上記したように形成した本実施例の半導体構造層１１のＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）分析の結果を図１２に示す。図１２には、ｐ－クラッド層１８の一部からｎ－クラッド層１３の一部までの分析結果を示している。酸素（Ｏ）の濃度プロファイルに示されるように、第１の埋込層１４Ａには、空孔ＣＨを形成するためのエッチングの際に混入する酸素が３×１０18ｍ-3存在しているのに対し、第２の埋込層２１中の酸素濃度は２×１０16ｃｍ-3以下（検出下限以下）となっていることが確認された。
このように、第２の埋込層２１においては、高濃度の酸素ドーピングによる結晶中のIII族原子空孔の発生が抑制され、良好な結晶性の膜が得られることが確認された。従って、第２の埋込層２１上に成長される結晶層も良好な結晶性を有する。
なお、上記実施例における種々の数値等は例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。
また、上記実施例においては、半導体構造層１１が電子障壁層１７を有する場合を例に説明したが、電子障壁層１７は設けられていなくともよい。あるいは、半導体構造層１１は、コンタクト層、電流拡散層その他の半導体層を含んでいてもよい。
また、本明細書においては、第１導電型の半導体（ｎ型半導体）、活性層及び第２導電型の半導体（第１導電型とは反対導電型であるｐ型半導体）をこの順に成長する場合を例に説明したが、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であってもよい。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶層に平行な方向に伝搬する光波の結合係数κ3を大きくすることができ、共振器損失を低減し、低閾値電流密度で発振動作することが可能な面発光レーザ及びその製造方法を提供することができる。
１０：フォトニック結晶面発光レーザ
１２：基板
１３：ｎ－クラッド層
１４：ｎ－ガイド層
１４Ａ：第１の埋込層
１４Ｐ：フォトニック結晶層
１４Ｃ：空孔
１５：活性層
１６：ガイド層
１８：ｐ－クラッド層
２１：第２の埋込層

Claims (10)

  1. 基板と、前記基板上に設けられた六方晶系の半導体構造層とを備え、前記半導体構造層の上面側もしくは下面側から出光する面発光レーザ素子であって、
    前記半導体構造層は、
    第１導電型の第１のクラッド層と、
    層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された複数の空孔を有するフォトニック結晶層、前記フォトニック結晶層より下側に位置し前記フォトニック結晶層と接するベース層、及び前記フォトニック結晶層より上側に位置し前記空孔の開口部を閉塞する第１の埋込層からなり、かつ前記第１のクラッド層上に形成された前記第１導電型の第１のガイド層と、
    前記第１のガイド層上に形成された第２の埋込層と、
    前記第２の埋込層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された第２のガイド層と、
    前記第２のガイド層上に形成された第２導電型の第２のクラッド層と、を備えており、
    前記ベース層、前記フォトニック結晶層及び前記第１の埋込層は、同じ元素によって構成されており、
    前記第１の埋込層と前記第２の埋込層の合計層厚が１００ｎｍ以下であり、
    前記第２の埋込層の含有酸素濃度は、前記フォトニック結晶層の含有酸素濃度に比べて小さい、面発光レーザ素子。
  2. 前記基板の前記半導体構造層が設けられた面と反対側の面に設けられた第１の電極と、
    前記半導体構造層の前記基板に向いた面と反対側の面に設けられた第２の電極とを備える請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  3. 前記第１の電極または前記第２の電極が、前記複数の空孔を設けたフォトニック結晶領域を囲む円環状に形成されている請求項２に記載の面発光レーザ素子。
  4. 前記半導体構造層が、III族窒化物半導体からなり、前記第１導電型がｎ型である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
  5. 前記複数の空孔は、前記ベース層に平行な面において、正方格子状、三角格子状、六角格子状のいずれかの格子状に、それぞれの格子点位置に２次元配列されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
  6. 前記第２の埋込層は、前記活性層からの発光波長に対して前記第１の埋込層以上の屈折率を有する結晶層である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
  7. 前記活性層と前記フォトニック結晶層との間の距離は２０ｎｍないし１００ｎｍの範囲内である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
  8. 前記第２のガイド層がドーパントをドープしないアンドープ層である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
  9. 前記第２のガイド層と前記第２導電型の前記第２のクラッド層との間に、前記第２のクラッド層と同じドーパントをドープしたＡｌを含む電子障壁層を有する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
  10. 前記第１の埋込層の前記第２のクラッド層側の面にはピットが表れている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
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