JP4347369B2 - 面発光レーザの製造方法 - Google Patents
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Description
面発光レーザは、単一縦モード、低しきい値、2次元アレイ化が容易、などの優れた特性を持つ。
このような面発光レーザとして、フォトニック結晶を利用したフォトニック結晶面発光レーザの開発が進められてきている。
ここで、フォトニック結晶とは光の波長と同程度もしくはより小さい屈折率周期を有する構造体である。
特許文献1に開示されている2次元フォトニック結晶面発光レーザでは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、2次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するように構成されている。
この下部クラッド層1212には、活性層の近傍に2次元フォトニック結晶が内蔵されている。
また、この上部クラッド層1218上面には上部電極1220が配置されて、基板1210下には下部電極1222が配されている。
上部電極1220と下部電極1222間に、電圧を印加しキャリアを活性層1216に注入することで活性層を発光させ、2次元フォトニック結晶による光共振によってレーザ発振させるように構成されている。
また、特許文献1では前記面発光レーザに適用できる半導体発光デバイスの製造方法として、以下の方法が開示されている。
第1導電体半導体層、活性層、および第2導電型半導体層を第2の基板の主面上に順に堆積し、前記主面が延びる方向に沿って第2の表面を有する第2の部品を形成する工程と、
前記第1の表面および前期第2の表面の少なくともいずれか一方に2次元回折格子を形成する格子工程と、
格子工程の後に、前期第1の表面と前期第2の表面とが向き合うように前期第1の部品および第2の部品を接合する工程と、
を備えている。
すなわち、この半導体発光デバイスの製造方法においては、フォトニック結晶構造が表面に形成された半導体部品を、別の半導体部品をフォトニック結晶構造が形成された表面を介して直接接合する手法が用いられている。
これにより、半導体内部にフォトニック結晶構造を含むデバイスを作製することができ、前記面発光レーザにも適用可能とされている。
しかし、直接接合工程は半導体材料によっては困難さを伴うことがあり、また接合自体は可能であっても、接合する両部品の位置・傾き合わせの精度を出すことが困難である。
例えば、レーザ共振器が両部品にまたがって構成される場合(第1の部品にフォトニック結晶構造、第2の部品に多層膜反射鏡が配され、それらの結合により共振器をなす場合など)では、位置合わせの精度がレーザ特性に直結する。
このため、直接接合工程を含む面発光レーザの製造方法は、デバイスの材料、設計に制限をかけるものとなる。
本発明の面発光レーザの製造方法は、基板上に、活性層およびフォトニック結晶構造が形成された半導体層、を含む複数の半導体層を積層して製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記フォトニック結晶構造を形成するための第1の半導体層の上に、第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層に複数の細孔を形成する工程と、
前記複数の細孔を通じて、前記第1の半導体層の一部領域に低屈折率部を形成することによって、該第1の半導体層に前記基板に対して平行方向に1次元の屈折率分布をもつ第1のフォトニック結晶構造を作製する工程と、
前記第2の半導体層の表面から、活性層を含む第3の半導体層を結晶再成長により形成する工程と、
前記第3の半導体層を形成する工程の後に、前記基板に対して平行方向に1次元の屈折率分布を持ち、かつ、前記第1のフォトニック結晶構造の屈折率分布とは向きが平行でない第2のフォトニック結晶構造を作製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、前記低屈折率部の形成が、前記第1の半導体層をAlGaAs層またはAlAs層によって形成すると共に、
前記細孔を通じて酸化種を導入し、該酸化種によって酸化領域を形成することにより行われることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記低屈折率部の形成が、前記第1の半導体層をAlGaAs層またはAlAs層によって形成すると共に、
前記細孔を通じてエッチング液を導入し、該エッチング液によって空孔を形成することにより行われることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第1の半導体層が、前記第2の半導体層よりもAl組成比が高く、かつ、該第1の半導体層の下に形成されている半導体層よりもAl組成比が高い半導体層が用いられることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記2次元の屈折率分布をもつフォトニック結晶構造を作製するに際し、
前記細孔の前記基板と平行方向の断面を、前記第1の半導体層に形成された前記低屈折率部の断面よりも小さい断面として、2次元のフォトニック結晶構造を作製することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記第1のフォトニック結晶構造が有する1次元の屈折率分布の方向と、前記第2のフォトニック結晶構造が有する1次元の屈折率分布の方向が直交していることを特徴とする。
以下の説明では、基板上に、活性層、該基板に対して平行方向に1次元または2次元の屈折率分布を持つ第1のフォトニック結晶構造が形成された第1の半導体層、を含む半導体を積層して構成された本発明の面発光レーザの製造方法の実施形態について説明する。
なお、これらについて説明する図1から図11において、同一または対応する部分には同一の符号が付されている。
[参考例1]
本発明の参考例1における面発光レーザの製造方法について説明する。
図1に、本参考例の製造方法によって製造された面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。
図1において、100は面発光レーザ、105は基板、110は下部クラッド層、130は活性層である。
140は上部クラッド層、155は第1の上部クラッド層、160は第2の上部クラッド層、165は第3の上部クラッド層である。
170は細孔、175はフォトニック結晶構造の低屈折率部、180は第4の上部クラッド層、190は上部電極、195は下部電極である。
上部クラッド層は、第1の上部クラッド層155、フォトニック結晶構造が形成された第2の上部クラッド層160、細孔170が開けられた第3の上部クラッド層165、第4の上部クラッド層180からなる。
前記第2の上部クラッド層160は、面発光レーザを構成する複数の半導体層における第1の半導体層で構成されている。
この第2の上部クラッド層160には、周囲の半導体層より屈折率の低い低屈折率部175が形成され、これにより前記基板に対して平行方向に2次元の屈折率分布をもつ2次元フォトニック結晶構造が構成されている。
ここで、この低屈折率部175から第3の上部クラッド層165の表面まで細孔170が貫いている。
そして、この細孔の基板105と平行方向の断面は、前記低屈折率部175の前記第2の上部クラッド層160における基板105と平行方向の断面よりも小さい断面とされている。
この面発光レーザ100は、電極190、195間に電圧を印加することにより、活性層130が発光し、活性層130から漏れた光が2次元フォトニック結晶構造にて共振し増幅される。
これにより、第2の第4の上部クラッド層180の上面からコヒーレントな光が面発光される。
図2から図4は、本参考例における面発光レーザの製造方法を説明する模式図である。
まず、図2に示すように、半導体基板105上に、下部クラッド層110、活性層130、第1の上部クラッド層155、フォトニック結晶構造が形成される第2の上部クラッド層160(第1の半導体層)、
細孔170が開けられる第3の上部クラッド層165(第2の半導体層)の順で、積層される。
各層は、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて積層される。
基板105としては、n型半導体基板、例えばn−GaAs基板を用いる。
下部クラッド層110としては、n型AlGaAs、例えばn−Al0.9Ga0.1Asを用いる。
活性層130は例えば、量子井戸構造を有するGaInP/AlGaInPを用いる。
第1の上部クラッド層155、第2の上部クラッド層160、第3の上部クラッド層165としてはp型AlGaAsを用いる。
第2の上部クラッド層のAl組成比は、第1の上部クラッド層、第3の上部クラッド層よりも高くなるようにする。
例えば、第1の上部クラッド層155、第2の上部クラッド層160、第3の上部クラッド層165は、それぞれp−Al0.5Ga0.5As、p−Al0.96Ga0.04As、p−Al0.7Ga0.3Asとする。
まず、上部クラッド層160の上(第1の半導体層の上)に、第3の上部クラッド層165(第2の半導体層)を形成する。
次に、第3の上部クラッド層165の表面から、第3の上部クラッド層165および第2の上部クラッド層160に、複数の細孔170を空ける。
具体的には、この第3の上部クラッド層165表面にレジストを塗布し、2次元細孔パターンを形成する。
例えば、2次元細孔パターンは正方格子状であるとし、格子間隔はたとえば250nmとする。
細孔径は、例えば50nmとする。
2次元細孔パターンが形成されたレジストをマスクとし、塩素系ガスを導入するICPエッチング法で細孔170を形成する。
細孔170の底面は第3の上部クラッド層165を貫き、かつ活性層130までは到達しないように制御する。
例えば、前記細孔を通じて酸化種を導入し、該酸化種によって酸化領域を形成することにによって、前記第1の半導体層の一部領域に、周囲の半導体層より屈折率の低い低屈折率部175を形成する。
具体的には、レジストを除去した後、細孔から水蒸気を導入し、450℃で熱処理する。
そして、図3に示すように、第2の上部クラッド層160に2次元フォトニック結晶構造を形成する。
すなわち、細孔170に接する第2の上部クラッド層160を酸化し、周囲の第2の上部クラッド層160より屈折率の低いAl酸化物を形成する。
これが、2次元フォトニック結晶構造の低屈折率部175に相当する。
このようにして、第2の上部クラッド層160(第1の半導体層)に、上記基板105と平行方向の断面が、上記細孔170の断面よりも大きい断面を備えた低屈折率部175を有する2次元のフォトニック結晶構造が形成される。
低屈折率部の断面形状は酸化プロセスの条件、すなわち処理時間、水蒸気流量、熱処理温度を変更することで調整できる。ここでは低屈折率部の大きさはたとえば200nm直径の円形とする。
通常、MOCVDは、成長パラメータを制御することにより、横方向成長モードを厚さ方向成長モードより大きくすることができる。
具体的には、AlGaAs系のMOCVDにおいては、V/IIIを大きく(〜500)し、成長圧力を下げ(〜100mmHg)、成長温度を上げる(〜750℃)ことで、50nm以上の拡散長を確保することは十分可能である。
細孔が平坦化されたあとは、通常の成長モードに成長条件を戻すことが望ましい。
この際、必要があれば第3の上部クラッド層165の上面を洗浄し、また必要があれば細孔170にたとえば樹脂などの低屈折率物質を詰めても良い。
第4の上部クラッド層180(第3の半導体層)は、例えばp−Al0.7Ga0.3Asとする。
次に、第4の上部クラッド層上に上部電極190を、基板105には下部電極195を形成する。
細孔を用いず2次元フォトニック結晶をエッチングなどで直接半導体表面から作製した場合に比べると、再成長の際の半導体表面がより平坦であるので、再成長が容易になり、また再成長される結晶の質も高くなる。
これにより、特性の良いフォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。
なお、以上の説明では、2次元フォトニック結晶の低屈折率部の形成に際し、複数の細孔を通じて酸化領域を形成し、第2の上部クラッド層160(第1の半導体層)の一部領域に低屈折率部175を形成する方法を用いたが、このような方法に限られるものではない。
例えば、Al組成により選択的にウエットエッチングできるエッチング液(たとえばバッファードフッ酸)を用い、前記細孔を通じて該エッチング液を導入し、該エッチング液によって空孔を形成することで、低屈折率部175を形成するようにしてもよい。
本発明の参考例2における面発光レーザの製造方法について説明する。
図5に、本参考例の製造方法によって製造された面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。
図5において、211は第1の下部クラッド層、212は第2の下部クラッド層、213は第3の下部クラッド層、214は第4の下部クラッド層である。
220はフォトニック結晶構造の低屈折率部、225は細孔、230は活性層、240は上部クラッド層、290は上部電極、295は下部電極である。
すなわち、図1の面発光レーザ100では、活性層がフォトニック結晶構造の下側にあったが、例えば、図5に示す面発光レーザ200のように、活性層230をフォトニック結晶構造212、220の上側に構成するようにしてもよい。
ここで、図5の面発光レーザ200の製造方法は、フォトニック結晶構造が下部クラッドにある点以外は、図1の面発光レーザ100の作製方法と同じである。
基板205上に、第1の下部クラッド層211、第2の下部クラッド層212、第3の下部クラッド層213を積層し、第3の下部クラッド層213に細孔225を空ける。
この細孔225を通じて第2の下部クラッド層212にフォトニック結晶構造の低屈折率部220を作製し、その後第3の下部クラッド層213上に、第4の下部クラッド層214、活性層230、上部クラッド層240を積層する。
そして、上部電極290と下部電極295を配する。
また、図6のように、垂直方向の閉じ込めを増すため、クラッド層の一部を半導体多層膜反射鏡285で置き換えるようにしてもよい。
本発明の実施形態における面発光レーザの製造方法について説明する。
図7に、本実施形態の製造方法によって製造された面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。
図7において、300は面発光レーザ、305は基板、310は下部クラッド層、311は第1の下部クラッド層、312は第2の下部クラッド層、313は第3の下部クラッド層、314は第4の下部クラッド層である。
320は第1のフォトニック結晶構造の低屈折率部、325は細孔、330は活性層である。
340は上部クラッド層、341は第1の上部クラッド層、342は第2の上部クラッド層、343は第3の上部クラッド層、344は第4の上部クラッド層である。
350は第2のフォトニック結晶構造の低屈折率部、355は細孔390は上部電極、395は下部電極である。
下部クラッド層310は、基板側から第1の下部クラッド層311、複数の低屈折率部320を有する第1のフォトニック結晶構造が形成された第2の下部クラッド層312、
細孔325が開けられた第3の下部クラッド層313、細孔325の空いていない第4の下部クラッド層314からなる。
また、上部クラッド層340は、基板側から第1の上部クラッド層341、複数の低屈折率孔350を有する第2のフォトニック結晶構造が形成された第2の上部クラッド層342、
細孔355の形成された第3の上部クラッド層343、細孔の空いてない第4の上部クラッド層344からなる。
また、第4の上部クラッド層344の表面にはリング状の上部電極390が設けられており、基板305には下部電極395が設けられている。
これにより、第4の上部クラッド層344の上面からコヒーレントな光が面発光される。
図8から図10は、本実施形態における面発光レーザ300の製造方法を説明する図である。
まず、下部クラッド層310を作製する工程において、基板305上に、第1の下部クラッド層311、第2の下部クラッド層312、第3の下部クラッド層313が順次積層される。
第2の下部クラッド層は、第1の下部クラッド層、第3の下部クラッド層に比べAlの組成比が高い。
各層は、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて積層される。基板305としては、n型半導体基板、例えばn−GaAs基板を用いる。
第1の下部クラッド層311としてはn型AlGaAs、例えばn−Al0.7Ga0.3Asとする。
第2の下部クラッド層312は、n型AlGaAs、例えばn−Al0.96Ga0.04Asにより形成する。
また、第3の下部クラッド層313は、n型AlGaAs、例えばn−Al0.5Ga0.5Asにより形成する。
具体的には、この第3の上部クラッド層313表面にレジストを塗布し、2次元細孔パターンを形成する。
例えば、2次元細孔パターンは正方格子状であるとし、格子間隔はたとえば250nmとする。
細孔径はたとえば50nmとする。
2次元細孔パターンが形成されたレジストをマスクとし、塩素系ガスを導入するICPエッチング法で細孔325を形成する。
細孔325の底面は第3の下部クラッド層313を貫き、かつ第1の下部クラッド層311までは到達しないように制御する。
すなわち細孔325に接する第2の下部クラッド層312が酸化され、周囲の半導体層312より屈折率の低いAl酸化物が形成される。これが2次元フォトニック結晶の低屈折率部320に相当する。
これにより、第2の下部クラッド層312に、上記基板305と平行方向の断面が、上記細孔325の断面よりも大きい断面を備えた低屈折率部320を有する2次元フォトニック結晶構造を形成する。
低屈折率部の断面形状は酸化プロセスの条件、すなわち処理時間、水蒸気流量、熱処理温度を変更することで調整できる。ここでは低屈折率部の大きさはたとえば200nm直径の円形とする。
この際、必要があれば第3の下部クラッド層313の上面を洗浄し、また必要があれば細孔325に、例えば樹脂などの低屈折率物質を詰めても良い。
第4の下部クラッド層は、例えばn−Al0.7Ga0.3Asとする。
活性層330は例えば、量子井戸構造を有するGaInP/AlGaInPを用いる。
第1の上部クラッド層341は、p型AlGaAs、例えばp−Al0.7Ga0.3Asにより形成する。
また、フォトニック結晶構造が形成される第2の上部クラッド層342は、p型AlGaAs、例えばp−Al0.96Ga0.04Asにより形成する。
細孔355が開けられる第3の上部クラッド層343は、p型AlGaAs、例えばp−Al0.7Ga0.3Asにより形成する。
具体的には、この第3の上部クラッド層343表面にレジストを塗布し、2次元細孔パターンを形成する。たとえば2次元細孔パターンは正方格子状であるとし、格子間隔はたとえば250nmとする。
細孔径はたとえば50nmとする。
2次元細孔パターンが形成されたレジストをマスクとし、塩素系ガスを導入するICPエッチング法で細孔355を形成する。
細孔355の底面は第3の上部クラッド層343を貫き、かつ第1の上部クラッド層341までは到達しないように制御する。
すなわち、細孔355に接する第2の上部クラッド層342が酸化され、周囲の半導体層より屈折率の低いAl酸化物が形成される。これが2次元フォトニック結晶の低屈折率部350に相当する。
これにより、第2の上部クラッド層342に、上記基板305と平行方向の断面が、上記細孔355の断面よりも大きい断面を備えた低屈折率部350を有する2次元フォトニック結晶構造を形成する。
低屈折率部の断面形状は酸化プロセスの条件、すなわち処理時間、水蒸気流量、熱処理温度を変更することで調整できる。ここでは低屈折率孔の大きさはたとえば200nm直径の円形とする。
この際、必要があれば第3の上部クラッド層343の上面を洗浄し、また必要があれば細孔355に、例えば樹脂などの低屈折率物質を詰めても良い。
第4の上部クラッド層344は、例えばp−Al0.7Ga0.3Asとする。次に、第4の上部クラッド層344上に上部電極390を、基板305には下部電極395を形成する。
以上の各工程により、2次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。
以上の製造プロセスによれば、第1の実施形態同様、再成長表面に空いている孔は、2次元フォトニック結晶構造の低屈折率部よりも面積が小さい細孔であるから、再成長が容易になり、また再成長される結晶の質も高くなる。
また、フォトニック結晶構造を2層設けることができるから、素子設計の自由度が増す。
ここで、2つのフォトニック結晶構造の組合せは、様々なものが考えられる。
例えば、図11のように、第1のフォトニック結晶構造、第2のフォトニック結晶構造が1次元フォトニック結晶の組合せでも、その屈折率分布の向きが平行でなければ2次元的な共振が可能である。
この場合、フォトニック結晶構造を作製する際の細孔325、355のパターニングは、1次元の細線パターンでよいから、リソグラフィープロセスが2次元の場合に比べて容易である。
特に、半導体層、フォトニック結晶構造、電極の材料や形状、フォトニック結晶の屈折率分布のパターン、などにおいて任意に変更することができる。
例えば、上記本実施形態では半導体層としてAlGaAs層を用いる場合について説明したが、AlAs層を用いるようにしてもよい。
105、205、305:基板
110 下部クラッド層
130、230、330:活性層
140:上部クラッド層
155:第1の上部クラッド層
160:第2の上部クラッド層
165:第3の上部クラッド層
170:細孔
175:フォトニック結晶構造の低屈折率部
180:第4の上部クラッド層
190、290、390:上部電極
195、295、395:下部電極
211:第1の下部クラッド層
212:第2の下部クラッド層
213:第3の下部クラッド層
214:第4の下部クラッド層
220:フォトニック結晶構造の低屈折率部
225:細孔
240:上部クラッド層
285:半導体多層膜反射鏡
310:下部クラッド層
311:第1の下部クラッド層
312:第2の下部クラッド層
313:第3の下部クラッド層
314:第4の下部クラッド層
320:第1のフォトニック結晶構造の低屈折率部
325:細孔
340:上部クラッド層
341:第1の上部クラッド層
342:第2の上部クラッド層
343:第3の上部クラッド層
344:第4の上部クラッド層
350:第2のフォトニック結晶構造の低屈折率部
355:細孔
Claims (6)
- 基板上に、活性層およびフォトニック結晶構造が形成された半導体層、を含む複数の半導体層を積層して製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記フォトニック結晶構造を形成するための第1の半導体層の上に、第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層に複数の細孔を形成する工程と、
前記複数の細孔を通じて、前記第1の半導体層の一部領域に低屈折率部を形成することによって、該第1の半導体層に前記基板に対して平行方向に1次元の屈折率分布をもつ第1のフォトニック結晶構造を作製する工程と、
前記第2の半導体層の表面から、活性層を含む第3の半導体層を結晶再成長により形成する工程と、
前記第3の半導体層を形成する工程の後に、前記基板に対して平行方向に1次元の屈折率分布を持ち、かつ、前記第1のフォトニック結晶構造の屈折率分布とは向きが平行でない第2のフォトニック結晶構造を作製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。 - 前記低屈折率部の形成は、前記第1の半導体層をAlGaAs層またはAlAs層によって形成すると共に、
前記細孔を通じて酸化種を導入し、該酸化種によって酸化領域を形成することにより行われることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザの製造方法。 - 前記低屈折率部の形成は、前記第1の半導体層をAlGaAs層またはAlAs層によって形成すると共に、
前記細孔を通じてエッチング液を導入し、該エッチング液によって空孔を形成することにより行われることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザの製造方法。 - 前記第1の半導体層は、前記第2の半導体層よりもAl組成比が高く、かつ、該第1の半導体層の下に形成されている半導体層よりもAl組成比が高い半導体層が用いられることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記2次元の屈折率分布をもつフォトニック結晶構造を作製するに際し、
前記細孔の前記基板と平行方向の断面を、前記第1の半導体層に形成された前記低屈折率部の断面よりも小さい断面として、2次元のフォトニック結晶構造を作製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の製造方法。 - 前記第1のフォトニック結晶構造が有する1次元の屈折率分布の方向と、前記第2のフォトニック結晶構造が有する1次元の屈折率分布の方向が直交していることを特徴とする請求項1から5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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