JP7173478B2 - 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
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Description
第1導電型の第1のクラッド層と、
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発光層と、
前記発光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前記第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、
前記第1のガイド層または前記第2のガイド層は、当該ガイド層に平行な面内において互いに垂直な2軸を配列方向として正方格子位置に周期的に配された空孔を内部に有し、
前記空孔は、前記平行な面内において長軸及び前記長軸に垂直な短軸を有する多角形状又は長円形状を有する多角柱構造又は長円柱構造を有し、前記長軸は前記空孔の前記配列方向のうちの1軸に対して傾き角θだけ傾いている。
(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)前記第1のクラッド層上に前記第1導電型の第1のガイド層を成長する工程と、
(c)前記第1のガイド層に、エッチングにより前記第1のガイド層に平行な面内において互いに垂直な2 軸を配列方向として正方格子位置に周期的に配された穴部を形成する工程と、
(d)III族原料及び窒素源を含むガスを供給して、前記穴部の上部を表面が平坦となるよう塞ぐ工程と、を有し、
前記穴部は、前記第1のガイド層に平行な面内において長軸及び前記長軸に垂直な短軸を有する多角形状又は長円形状を有する多角柱又は長円柱構造を有し、前記穴部の前記長軸の方向は<11-20>方向であり、前記長軸は前記穴部の前記配列方向のうちの1軸に対して傾き角θだけ傾いている。
[フォトニック結晶面発光レーザの閾値利得]
フォトニック結晶を有する面発光レーザにおいて、高出力動作をさせる場合、基本横モード(以下、単に基本モードともいう。)のみならず高次横モード(以下、単に高次モードともいう。)の発振が生じ、多モード化する。基本モード性を保ったまま、高出力動作を実現するためには、基本モードと高次モードとの閾値利得差を大きくする必要がある。
[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(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、n-ガイド層14、活性層15、ガイド層16、電子障壁層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、InN、AlNおよびこれらの混晶材料を用いることができる。
[フォトニック結晶層の空孔の配列]
図2Aは、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を模式的に示す断面図である。図2B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)における空孔14Cの配列を模式的に示す平面図である。
[空孔断面形状が楕円の場合の結合係数κ3及びκ2D]
次に、空孔14Cの断面形状が楕円の場合の結合係数κ3及び結合係数κ2Dの関係についてのシミュレーション結果を説明する。なお、シミュレーションは、図1、図2A~Cのデバイスモデルについて、非特許文献3の式(A13)を解いて結合係数κ3及びκ2Dを算出した。
[空孔形状の他の例]
図8Aは、空孔断面形状が六角形状の場合の空孔14Cの配列を示す図である。すなわち、図2Bの場合と同様に、n-ガイド層14(すなわちフォトニック結晶層14P)に平行な面(図2A、A-A断面を参照)における空孔14Cの配列を模式的に示す断面図である。
[半導体構造層11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11上に半導体構造層11を成長した。尚、半導体構造層11の成長は、後述するマストランスポートを生じさせることが可能なエピタキシャル成長であれば、MOVPE法に限らず、例えばMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などを用いることもできる。
[クラッド層及びガイド層の成長]
半導体構造層11の成長用基板として、成長面が+c面のn型GaN基板12を用いた。従って、半導体構造層11の各成長層はc面に平行な層として成長された。
n-ガイド層14を成長後の基板、すなわちガイド層付きの基板(以下、ガイド層基板という。)をMOVPE装置から取り出し、n-ガイド層14に微細な空孔(ホール又は穴部)を形成した。
続いて、n-ガイド層14に2次元的な周期性を持つ空孔CHを形成した基板(ガイド層基板ともいう。)のSiNx膜SNをフッ酸(HF)を用いて除去し、脱脂洗浄を行って清浄表面を得、再度MOVPE装置内に導入した。
なお、図12は、図11と同様な図であるが、比較例1としての空孔14Dの形成について示すSEM像である。図12中、(a1)埋込前の上段のSEM像を参照すると、n-ガイド層14に平行な面内において、空孔(ホール)CHの配列方向(x、y方向)に関して非対称な構造である円(真円)状の断面形状を有する空孔CH(円柱)の埋込を行った場合を示している。
続いて活性層15として、3層の量子井戸層を含む多重量子井戸(MQW) 層を成長した。多重量子井戸層のバリア層及び井戸層はそれぞれGaN及びInGaNで構成され、それぞれの層厚は、6.0nm、3.5nmであった。また、本実施例における活性層からのPL発光の中心波長は410nmであった。
12:基板
13:n-クラッド層
14:n-ガイド層
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
Claims (7)
- MOVPE法によりIII族窒化物半導体からなる面発光レーザを製造する製造方法であって、
(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)前記第1のクラッド層上に前記第1導電型の第1のガイド層を成長する工程と、
(c)前記第1のガイド層に、エッチングにより前記第1のガイド層に平行な面内において互いに垂直な2軸を配列方向として正方格子位置に周期的に配された穴部を形成する工程と、
(d)III族原料及び窒素源を含むガスを供給して、前記穴部の上部を表面が平坦となるよう塞ぐ工程と、を有し、
前記工程(d)は、
(d1)III族原料及び窒素源を含むガスを供給して、前記穴部の前記上部にファセットを有する凹部が形成されるように成長を行って、前記穴部の前記上部を塞ぐ工程と、
(d2)前記穴部の前記上部を塞いだ後、マストランスポートによって前記凹部を平坦化する工程と、を有し、
前記穴部は、前記第1のガイド層に平行な面内において長軸及び前記長軸に垂直な短軸を有する多角形状又は長円形状を有する多角柱又は長円柱構造を有し、前記穴部の前記長軸の方向は<11-20>方向であり、前記長軸は前記穴部の前記配列方向のうちの1軸に対して傾き角θだけ傾いている製造方法。 - 前記穴部の上部を塞ぐ工程(d1)及び前記平坦化する工程(d2)により、前記穴部は前記第1のガイド層に埋め込まれた空孔として形成され、前記第1のガイド層に平行な面は(0001)面であり、前記空孔は前記長軸に平行な{10-10}面である2つの側面を有する請求項1に記載の製造方法。
- 前記空孔は、前記2つの側面以外の4つの側面が{10-10}面である六角柱構造を有する請求項2に記載の製造方法。
- 前記傾き角θは、30°≦θ≦45°を満たす請求項1ないし3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記穴部は、底部に{1-102}ファセットを有する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記穴部の上部を塞ぐ工程(d1)及び前記平坦化する工程(d2)により、前記穴部は前記第1のガイド層に埋め込まれた空孔として形成され、
前記空孔は、前記長軸長を前記短軸長で除した値が1.4以上3.0以下である長六角形状又は長円形状を有する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の製造方法。 - 前記穴部の上部を塞ぐ工程(d1)及び前記平坦化する工程(d2)により、前記穴部は前記第1のガイド層に埋め込まれた空孔として形成され、
前記傾き角θは、30°≦θ≦45°を満たし、
前記空孔は前記第1のガイド層に平行な面内において長六角形状又は長円形状を有し、
前記空孔を含んで形成されるフォトニック結晶層のフィリングファクタが6%以上12%以下である請求項1ないし3、5及び6のいずれか1項に記載の製造方法。
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