JP7279875B2 - 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、
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。
(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。
[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。
[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。
(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。
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。
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。
[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。
[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。
[ 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。
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。
[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。
(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。
[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))。
[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。
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 (14)
- 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、
前記第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、前記フォトニック結晶層上に形成されて前記空孔を閉塞する第1の埋込層と、を有する前記第1導電型の第1のガイド層と、
前記第1の埋込層上に結晶成長された第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、
を含む半導体構造層と、
前記半導体構造層が設けられた基板と、
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、
を有し、
前記第1の埋込層の上側表面は、前記空孔に対応した位置に配されたピットを備え、
前記第2の埋込層の上側表面は、原子的に平坦な表面を備え、
前記第1の電極及び前記第2の電極の何れかの電極は、前記半導体構造層において発振した光が前記活性層に対して垂直な方向に出射できる構造を有する面発光レーザ素子。 - 前記第1の埋込層の上側表面は、前記空孔に対応した規則的な配列の前記ピットを備える請求項1に記載の面発光レーザ素子。
- 前記第2の埋込層の結晶組成は前記第1の埋込層の結晶組成と異なる請求項1又は2に記載の面発光レーザ素子。
- 前記第1の埋込層は前記フォトニック結晶層と同一の結晶組成を有する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子。
- 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4のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子。
- 前記第2の埋込層の結晶組成はInを組成に含む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。
- 前記第1の埋込層及び前記第2の埋込層の合計層厚は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。
- 前記第1の埋込層の上側表面は(0001)面であり、前記空孔の周期でバンチングしたバンチングステップを有するステップ・テラス構造を有する請求項1ないし7のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子。
- 前記第2の埋込層の上側表面は(0001)面であり、1バイレイヤーのステップ高さのステップ・テラス構造を有する請求項1ないし8のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子。
- 前記空孔の各々の複数の側面のうち少なくとも1つが{10-10}ファセットである請求項1ないし9のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子。
- 前記第2の埋込層に含まれる酸素の濃度が5×1016cm-3以下である請求項1ないし10のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子。
- MOVPE法によりIII族窒化物半導体からなる面発光レーザ素子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、前記穴部の開口部を塞ぐ第1の埋込層を形成する工程と、
(e)前記第1の埋込層の形成後、III族原料を供給し、前記第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、
前記(d)工程において、前記第1の埋込層の上側表面は、前記穴部の前記開口部が塞がれて形成された空孔に由来するピットを有する製造方法。 - 前記工程(c)において、前記第1のガイド層に、垂直な2軸を配列方向として周期的に配された前記穴部を形成する請求項12に記載の製造方法。
- 前記第1の埋込層の上側表面は、前記空孔に対応する規則的な配列の前記空孔に由来するピットを備える請求項12又は13のいずれか1項に記載の製造方法。
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