CN110337764B - 表面发射激光器和制造表面发射激光器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法包括：(a)在基板上生长第一导电型的第一披覆层的步骤；(b)在所述第一披覆层上生长所述第一导电型的第一光导层的步骤；(c)在所述第一光导层中通过蚀刻在与所述第一光导层平行的面中形成具有二维周期性的空孔的步骤；(d)供应含有III族材料和氮源的气体并进行生长以便在所述空孔的开口上方形成具有预定面方向的晶面的凹部，从而闭合所述空孔的开口的步骤；和(e)在所述空孔的所述开口已闭合后，通过质量传输使所述凹部平坦化的步骤，其中在已进行了所述平坦化步骤后，所述空孔的至少一个侧表面是{10‑10}晶面。

Description

表面发射激光器和制造表面发射激光器的方法
技术领域
本发明涉及表面发射激光器和制造表面发射激光器的方法。
背景技术
近年来，已开发了使用光子晶体的表面发射激光器。例如，专利文献1公开了一种意图在不需要熔接的情况下进行制造的半导体激光装置。
专利文献2公开了一种用于在GaN型半导体中制造光子晶体的微细结构的制造方法。非专利文献1公开了通过低压生长技术增加横向生长速率来制造光子晶体。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利No.5082447
专利文献2：日本专利No.4818464
非专利文献
非专利文献1:H.Miyake等:Jpn.J.Appl.Phys.第38卷(1999)L1000-L1002页
发明内容
技术问题
在具有光子晶体的表面发射激光器中，为了获得高共振效果，需要增加光子晶体层中的衍射效应。换言之，为了增加衍射效应，需要在光子晶体中具有均匀的二维折射率周期、具有与光子晶体中的基材不同的折射率区域的高占有率(填充因子)、和具有分布在光子晶体中的光强度(光场)的高比率(光约束系数)等。
考虑到上述方面，本发明旨在提供一种表面发射激光器及其制造方法，该表面发射激光器包括具有均匀折射率周期和高衍射效应的光子晶体。本发明还旨在提供一种包含具有高填充因子和高光约束系数的光子晶体的表面发射激光器及其制造方法。
问题的解决方案
本发明的通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法包括：
(a)在基板上生长第一导电型的第一披覆层的步骤；
(b)在所述第一披覆层上生长所述第一导电型的第一光导层的步骤；
(c)在所述第一光导层中，通过蚀刻在与所述第一光导层平行的面中形成具有二维周期性的空孔的步骤；
(d)供应含有III族材料和氮源的气体并进行生长以便在所述空孔的开口上方形成具有预定面方向的晶面的凹部，从而闭合所述空孔的开口的步骤；和
(e)在所述空孔的所述开口已闭合后，通过质量传输使所述凹部平坦化的步骤，
其中，在已进行了所述平坦化步骤后，所述空孔的至少一个侧表面是{10-10}晶面。
本发明的由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器包括：
形成在基板上的第一导电型的第一披覆层；
形成在所述第一披覆层上的所述第一导电型的第一光导层，所述第一光导层具有形成在其中的空孔，所述空孔排列成在与所述第一光导层平行的面中具有二维周期性；
形成在所述第一光导层上的发光层；
形成在所述发光层上的第二导电型的第二光导层，所述第二导电型是与所述第一导电型相反的导电类型；和
形成在所述第二光导层上的所述第二导电型的第二披覆层，其中
所述空孔的至少一个侧表面是{10-10}晶面。
附图说明
图1是填充因子(FF)与光子晶体部分在发射方向上的辐射因子之间的关系的图表。
图2是示意性地说明第一实施方式的光子晶体表面发射激光器的结构的截面图。
图3是示意性地说明空孔CH形成过程的截面图。
图4显示了在空孔CH形成之后的步骤中光导层的表面和截面的SEM图像。
图5是示意性地说明对应于图4的(a1)、(a4)和(b)的光导层基板的截面的截面图。
图6是示意性地说明排列在光子晶体层14P中的光子晶体层14P和空孔14C的截面图。
图7显示了第一比较例的空孔CH在生长前和热处理后的表面(上排)和截面(下排)的SEM图像。
图8显示了第二比较例的空孔CH在生长前和热处理后的表面(上排)和截面(下排)的SEM图像。
图9显示了第二实施方式的光子晶体表面发射激光器中的光子晶体层14P形成过程的图像。
图10是示意性地说明第二实施方式的空孔14C在生长面中的形状变化的图。
具体实施方式
下面将描述本发明的优选实施方式，并且可以适当地修改或组合实施方式。在以下描述和附图中，基本相同或等同的部分由相同的附图标记表示，并且将基于附图标记给出描述。
[光子晶体表面发射激光器的共振效应]
为了在具有光子晶体部分的表面发射激光器(下文中有时简称为光子晶体表面发射激光器)中获得共振效应，理想地是在光子晶体部分中具有高的衍射效应。
更具体地，为了增加光子晶体表面发射激光器中的衍射效应，理想地是：
(1)当λ表示振荡波长且neff表示光子晶体部分的有效折射率时，光子晶体部分中的二维折射率周期P在正方晶格二维光子晶体的情况下满足P＝mλ/neff(m是自然数)，并且在三角晶格二维光子晶体的情况下满足P＝mλ×2/(31/2×neff)(m是自然数)。
(2)与光子晶体部分中的基材不同的折射率区域的占有率(FF：填充因子)足够高。
(3)光子晶体表面发射激光器中的光学功率分布的光子晶体部分中的光学功率分布的比率(ΓPC：光约束因子)足够高。
为了满足上述(1)，需要根据光子晶体激光器的振荡波长适当设定晶格常数。例如，在使用氮化镓型材料以405nm的波长振荡的情况下，neff约为2.5，因此在使用正方晶格二维光子晶体的情况下，晶格常数可约为162nm。
针对上述(2)，图1显示了在正方晶格二维光子晶体(例如周期为161nm，活性层和光子晶体部分之间的距离为80nm)中的填充因子(FF)与光子晶体部分在发射方向上的辐射常数之间的关系。
光子晶体部分的辐射常数是作为波导模式在光子晶体中存在的光中通过衍射在与光子晶体表面垂直的方向(发射方向)上辐射(同时波被引导通过单位长度)的光的比率。在光子晶体部分中，为了更好的激光振荡，理想地是损耗更低，但当FF小于5％时，辐射因子变为大约0，并且变得难以将光提取到外部。换言之，为了允许光子晶体表面发射激光器发挥功能，填充因子(FF)优选为5％以上。
为了满足上述(3)，光子晶体部分和活性层之间的距离，更具体地说，光子晶体部分在活性层侧的顶表面和在光子晶体部分侧的MQW活性层的第一阻挡层的底表面之间的距离必需短。光子晶体部分的厚度的增加可以增加ΓPC，但是一般激光器中的光学功率分布相对于活性层的附近通常是尖峭的，以增加活性层的光约束因子ΓMQW。因此，即使光子晶体部分的厚度增加，对ΓPC(光子晶体部分的光约束因子)的提高也存在限制。光子晶体部分的厚度增加降低了光导层的折射率，使得ΓMQW变小且不优选。因此，为了获得足够的ΓPC，理想地是使上述距离短，以使光子晶体部分和活性层彼此靠近。
考虑到这些问题，常规技术具有以下问题。例如，在上述专利文献1的技术中，在含有氮源的气体气氛中进行热处理，不提供III族原子，然后在比前一步骤更高的温度下进行另一热处理以填充狭窄空孔。然而，当以这种方式嵌入空孔时，在第一加热步骤中空孔变窄，并且不能获得足够的FF。即使消除了第一加热步骤，空孔在温度升高期间变窄并且不能在足够的FF状态下嵌入。
例如，在上述专利文献2的技术中，III族原子和氮源被供应到减压气氛，并且促进III族氮化物在横向上的生长以闭合狭窄空孔。该方法能够嵌入狭窄空孔，同时相对地保持空孔的直径。然而，参考非专利文献1，即使通过减压增加了横向生长速率，横向生长速率也仅可以增加到比垂直生长速率快至多约0.7倍。换言之，即使保持了经嵌入的空孔的直径，光子晶体部分和活性层之间的距离变长，因此无法获得足够高的ΓPC。
还描述了一种方法，其中将具有低折射率材料如SiO2或MgF的材料铺在空孔的底部并且使用这些材料作为掩模嵌入空孔。然而，在此情况下，通过干蚀刻等处理的形状保持原样，作为经嵌入的空孔的形状。当通过干蚀刻等形成空孔时，难以相对于光导层的面内方向完全垂直地蚀刻空孔，从而导致每个空孔在深度方向上的直径变化。换言之，难以获得单一周期的结构。
第一实施方式
图2是第一实施方式的包含光子晶体层的表面发射激光器(下文有时也简称为光子晶体表面发射激光器)10的结构的示意性截面图。如图2所示，在基板12上形成半导体结构层11。更具体地，n-披覆层13、n-光导层14、活性层15、光导层16、电子阻挡层17和p-披覆层18以此顺序依次形成在基板12上。换言之，半导体结构层11由半导体层13、14、15、16、17和18构成。n-光导层14含有光子晶体层14P。
在n-披覆层12(底面)上形成n-电极19A，在p-披覆层18(顶面)上形成p-电极19B。
来自表面发射激光器10的光在与活性层15垂直的方向上从半导体结构层11的顶面(即p-披覆层18的正面)被提取到外部。
[披覆层和光导层的生长]
下面将详细描述半导体结构层11的制造方法。使用MOVPE(金属有机气相外延)方法作为晶体生长方法，使得半导体结构层11通过常压(大气压)生长在生长基板12上生长。
作为半导体结构层11的生长基板，使用生长面为+c-面的n型GaN基板12。在基板12上，生长具有4％的Al(铝)组成的n型AlGaN(层厚度为2μm)成为n-披覆层13。三甲基镓(TMG)和三甲基铝(TMA)用作III族MO(有机金属)材料，氨(NH3)用作V族材料。乙硅烷(Si2H6)作为掺杂材料供应。室温下的载体浓度约为5×1018cm-3。
随后，通过供应TMG和NH3，生长n型GaN(层厚度为300nm)成为n-光导层14。在生长的同时供应和掺杂乙硅烷(Si2H6)。载体浓度约为5×1018cm-3。
[光导层中的空孔的形成]
从MOVPE装置中取出n-光导层14生长后的基板，即具有光导层的基板(下文中称为光导层基板)，以在n-光导层14中形成微细的空孔。参照图3和4，下面将详细描述空孔的形成。图3是示意性地说明空孔CH形成过程的截面图。图4显示了在空孔CH形成之后的步骤中光导层基板的表面和截面的SEM(扫描电子显微镜)图像。在图4中，在上排中显示了光导层基板的表面SEM图像，并在下排中显示了沿表面SEM图像的虚线(白色)采集的截面SEM图像。
清洁在基板12上生长了n-披覆层13和n-光导层14的光导层基板以获得清洁表面(图3,(i))。其后，通过等离子体CVD层压氮化硅膜(SiNx)SN(膜厚度为120nm)(图3,(ii))。
接下来，通过旋涂将EB(电子束)绘图抗蚀剂(drawing resist)RZ施加到SiNx膜SN上，厚度约为300nm，并且通过电子束绘图装置在光导层基板的表面上形成具有二维周期性结构的图案(图3,(iii))。更具体地，进行图案化以使得直径(φ)为100nm的圆点在二维的抗蚀剂RZ的面中排列成周期PC为186nm的正三角形晶格。
在图案化抗蚀剂RZ显影后，通过ICP-RIE(电感耦合等离子体-反应离子蚀刻)装置选择性地干蚀刻SiNx膜SN(图3,(iv))。因此，在SiNx膜SN上形成直径(φ)约为100nm的贯通孔，其二维排列为正三角形晶格，且面内周期PC为186nm。
随后，除去抗蚀剂RZ，使用图案化的SiNx膜SN作为硬掩模，形成从n-光导层14(GaN)的表面延伸到内部的空孔CH。更具体地，在ICP-RIE装置中使用氯基气体通过干蚀刻形成在n-光导层14中二维排列的空孔CH(图3,(v))。
图4显示了此时在n-光导层14中形成的空孔CH的表面SEM图像(上排)和截面SEM图像(下排)(图4(a1))。如表面SEM图像中所示，形成了多个空孔CH，其二维排列成正三角形晶格(换言之，正六边形的顶点和中心)，空孔之间的间隔(周期)PC为186nm。如截面SEM图像所示，在n-光导层14中形成的空孔CH的深度约为250nm，空孔CH的直径约为100nm。换言之，空孔CH是顶面打开的开口(空孔)，并且呈大致圆柱形(除底部外)。
[空孔的闭合]
使用氢氟酸(HF)除去在n-光导层14中形成了具有二维周期性的空孔CH的光导层基板的SiNx膜SN(图3(vi))，并通过脱脂获得清洁表面。然后，将光导层基板再次引入MOVPE装置中。
在MOVPE装置中，将光导层基板加热至1100℃(生长温度)，并通过供应III族材料气体(TMG)和V族材料气体(NH3)使之生长以便具有含{10-11}晶面(预定面方向的晶面)的凹部，从而闭合空孔CH的开口。注意，生长温度优选为900至1150℃。
图4(图中的(a2)至(a4))显示了此时空孔CH的形状相对于生长时间的变化。图5是示意性地说明对应于图4的(a1)、(a4)和(b)的光导层基板的截面的截面图。
如图4所示，随着生长时间的推移(1分钟、3分钟和5分钟)，{10-11}晶面优先生长。从生长开始5分钟后，使从相对的面彼此相向生长的{10-11}晶面彼此接触以闭合空孔CH(图4,(a4))。(000-1)面出现在活性层15侧的嵌入的空孔CH的表面(顶面)中，并且{10-10}面出现在空孔CH的侧表面中。{1-102}晶面出现在基板12侧的空孔CH的底部。
此时，作为嵌入式空孔CH的顶面的(000-1)面和作为n-光导层14最外表面的(0001)面之间的距离D1约为140nm(图5,(a4))。{10-11}晶面的开口半径R约为82nm(图5,(a4))。
[表面平坦化]
在通过{10-11}晶面闭合空孔CH后，停止供应III族材料气体。在供应V族材料气体(NH3)的同时，将温度以100℃/min的升温速率升至1200℃并保持。在1200℃保持(热处理)1分钟后，空穴的表面如图4所示的变化(图4(b))。在n-光导层14的表面中形成的{10-11}晶面消失，表面变成平坦(0001)面。表面通过质量传输平坦化，并且将n-光导层14的表面变为(0001)面。
此时，嵌入式空孔(空穴)14C在活性层15侧的面(顶面,(000-1)面)与n-光导层14的正面(即(0001)面)之间的距离D2约为105nm(图5,(b))。空孔14C的高度HC约为110nm，空孔CH的直径(截面的宽度)WC约为60nm。
图6是示意性地说明通过上述过程形成的排列在光子晶体层14P中的光子晶体层14P和空孔14C的截面图。如图6所示，形成光子晶体层14P，其中嵌入了在与n-光导层14平行的面中以周期PC二维排列成正三角形晶格的空孔14C。如图5所示，空孔14C的顶面由(000-1)面构成，其侧面由{10-10}面构成。空孔14C在基板12侧的底部具有由{1-102}晶面构成的多边形锥体形状。注意，空孔14C优选具有多边柱形(除了底部之外)，并且空孔14C的至少一个侧面优选是{10-10}面(晶面)。
换言之，以嵌入n-光导层14中的状态形成光子晶体层14P，其具有以恒定周期(PC)二维排列的空孔14C。由于光子晶体层14P中的各空孔14C排列为在n-光导层14中具有大致相同的深度(距顶面的深度为D2)，形成在光子晶体层14P中的空孔14C的顶面形成了光子晶体层14P的顶面。光子晶体层14P中的空孔14C具有大致相同的高度HC。换言之，光子晶体层14P形成为具有层厚度HC。n-光导层14具有平坦的正面。
可以想象，由于在空孔14C上形成的GaN层的总体积在通过质量传输变形之前及之后不会改变，故当D和d分别表示变形前后的空孔14C的顶面(即(000-1)面)和n-光导层14的表面(即(0001)面)之间的距离(此处，D＝D1，d＝D2)、r表示变形前的{10-11}晶面的开口半径(此处，r＝R，直径为2R)且p表示光子晶体的空孔14C的周期(此处，p＝PC)时，距离d可由下式估算：
[式1]
d＝D(1–(r/p)2)…(1)
由式(1)估算的距离d为110nm，其与测量值几乎是相同的距离。因此，可以理解，通过Ga在表面附近的扩散，表面从{10-11}晶面变形为(0001)面。
空孔14C由此嵌入表面是平坦(0001)面的n-光导层14，使得可在n-光导层14中形成光子晶体层14P。
此时，作为不同折射率区域(空孔14C)与光子晶体层中的基材(GaN)的比率的填充因子(FF)为10.4％。因此，可获得对振荡波长λ具有高衍射效应的光子晶体层。
实施方式描述了质量传输的温度为1200℃的情况，但质量传输的温度优选为1100℃以上。
[活性层和p型半导体层的生长]
随后，生长包含五层量子阱层的多量子阱(MQW)层作为活性层15。多量子阱的阻挡层和阱层分别由GaN和InGaN制成，层厚度分别为5.0nm和3.5nm。在本实施方式中，来自活性层的PL发射的中心波长为405nm。
在将生长温度降至850℃后，通过供应三乙基镓(TEG)和NH3来生长阻挡层。在供应TEG、三甲基铟(TMI)和NH3的情况下，在与阻挡层相同的温度下生长阱层。
在生长了活性层15后，将基板的温度升至1100℃，并且生长光导层16(层厚度为100nm)作为p侧光导层。作为光导层16，在未掺杂有掺杂剂的情况下生长未掺杂的GaN层。
当生长温度保持在1100℃时，在光导层16上生长电子阻挡层(EBL)17和p-覆盖层18。通过供应TMG、TMA和NH3来生长电子阻挡层17和p-覆盖层18。
电子阻挡层17是具有18％的Al组成的AlGaN层(层厚度为20nm)，p-披覆层18是具有6％的Al组成的AlGaN层(层厚度为600nm)。在电子阻挡层17和p-披覆层18生长时，供应CP2Mg(双环戊二烯基镁)，载体浓度为4×1017cm-3。
通过上述方法获得包含光子晶体的表面发射激光器的层压结构。
[调查1]空孔的闭合
在上述第一实施方式中，通过使{10-11}晶面生长而闭合空孔CH。(000-1)面出现在闭合的空孔CH的顶面，{10-10}面出现在其侧面。
换言之，在表面附近存在大量N(氮)原子，并且N极性表面倾向于选择性地生长。因此，可具有N极性的{10-11}形成为倾斜晶面。可以想到，出现{10-11}而非{11-22}(其也是具有N极性的倾斜晶面)的原因在于悬空键密度低，即表面能低。随着生长时间的推移，优先生长{10-11}晶面，并通过其与从相对侧生长的{10-11}晶面接触而使空孔闭合。
当空孔CH被闭合时，形成最稳定的面作为空孔CH的每个表面。具有最高N极性和最低悬空键密度的(000-1)面形成为顶面，并且具有N极性的{1-102}晶面形成为底面。由于III族氮化物在平行于生长方向的方向上没有极性，因此在同一面中具有最低悬空键密度的{10-10}面出现在侧表面中。
[调查2]表面的平坦化
为了使表面平坦化，通过质量传输使存在于嵌入式空孔CH顶面上方的{10-11}晶面平坦化，并且光导层的表面变为(0001)面。
如上所述，在通过{10-11}晶面闭合空孔CH后，停止供应III族原子，并且在供应氮源的同时通过加热使基板温度升高。
换言之，当温度升高到附着在n-光导层14表面的N原子的消除得以增加的水平时，N极性面并不总是稳定的。稳定的表面是具有低表面能的面，换言之，具有最低的悬空键密度。在III族氮化物中，出现具有最低悬空键密度的(0001)面。此时，停止供应III族原子，并使III族原子在表面中扩散。具有最不稳定能量的{10-11}晶面的峰部中的原子扩散并附着到具有最稳定能量的{10-11}晶面的谷部中，形成(0001)面。
嵌入式空孔14C的(000-1)面和n-光导层14的最外表面的(0001)面之间的距离由此变短，使得光子晶体层14P与活性层15之间的距离接近。如果构成n-光导层14的III族氮化物不升华，则在变形前后总体积不变化，并且嵌入式空孔14C的(000-1)面和n-光导层14的最外表面的(0001)面之间的距离接近了这样的体积：该部分体积可嵌入由n-光导层14的最外表面的{10-11}晶面形成的凹部。因此，具有二维周期的空孔14C嵌入顶面是平坦(0001)面的n-光导层14中，且不增加光子晶体层14P和活性层15之间的距离。
[调查3]与比较例的对比
作为第一比较例，空孔CH仅通过与第一实施方式的平坦化过程(质量传输)相同的过程嵌入。更具体地，停止供应III族材料，空孔CH仅通过以下过程嵌入：在供应氮源的同时通过加热使温度升高。
下面将参照图7描述该过程。在与第一实施方式相同的过程中，使用SiNx作为硬掩模，使空孔CH二维形成为正三角形晶格，周期PC为186nm。其后，通过HF去除SiNx，进行脱脂以获得具有清洁表面的光导层基板。图7(i)显示了此时的空孔CH的表面SEM图像(上排)和截面SEM图像(下排)。
将光导层基板置于MOVPE装置中，在供应NH3的同时以100℃/min的升温速率将温度升至1200℃，保持该状态。在将温度在1200℃保持1分钟后，空孔CH的表面如图7(ii)所示的变化，使得光导层的表面变成平坦(0001)面。
此时，作为嵌入式空孔CH在活性层侧的面的(000-1)面和作为光导层的最外表面的(0001)面之间的距离D2为83nm。空孔CH的高度HC为113nm，空孔CH的直径(截面的宽度)WC变为38nm，该直径非常狭窄。此时，空孔的FF为4.2％，辐射常数几乎变为0，因此在发射方向上无法提取光。
作为第二比较例，空孔CH仅通过与第一实施方式的空孔闭合过程相同的过程嵌入。下面将参照图8描述该过程。
在与第一实施方式相同的过程中，空穴CH二维形成正三角形晶格，周期为186nm。图8(i)显示了此时的空孔CH的表面SEM图像(上排)和截面SEM图像(下排)。
将光导层基板置于MOVPE装置中，在供应TMG和NH3的同时以100℃/min的升温速率将温度升至1100℃，从而闭合空孔CH。图8(ii)显示了生长时间为10分钟时的表面图像和截面图像。
关于FF，可嵌入与第一实施方式具有几乎相同尺寸的空孔CH。然而，作为嵌入式空孔CH在活性层侧的面的(000-1)面和作为光导层的最外表面的(0001)面之间的距离D2是164nm。注意，空孔CH的直径WC是61nm，其高度HC是113nm。
当生长时间为8分钟时，在光导层的表面留下倾斜的晶面，不能得到平坦(0001)面。因此，当仅通过供应III族材料和NH3的过程嵌入空孔时，空孔的(000-1)面和作为光导层表面的(0001)面之间的距离变长，因此ΓPC不能增加。
根据第一和第二比较例的结果，难以具有足够高的光子晶体部分的空孔的FF，同时嵌入式空孔的顶面的(000-1)面和光导层顶面的(0001)面之间的距离变短。
第二实施方式
图9是显示根据第二实施方式在光子晶体表面发射激光器10中形成光子晶体层14P的图。更具体地，图9显示了形成在n-光导层14中的空孔CH的表面SEM图像(上排)和截面SEM图像(下排)。注意，光子晶体表面发射激光器10的结果与第一实施方式(图2)相同。
如图9所示，以与第一实施方式相同的过程在光导层基板的表面上形成SiNx膜SN。接下来，通过ICP-RIE装置选择性干蚀刻SiNx膜SN，以便在SiNx膜SN上形成贯通孔，其二维排列成正方晶格，面内周期PC为161nm。换言之，形成短边长度为100nm的直角等腰三角形形状的贯通孔以便穿透SiNx膜SN。
随后，使用图案化的SiNx膜SN作为硬掩模，从n-光导层14(GaN)的表面形成空孔CH。更具体地，在n-光导层14中形成深度约为230nm且形状为具有100nm的短边长度的直角等腰三角形的空孔CH，以便在面内二维排列成正方晶格，周期PC为161nm(图9,(a1))。
接下来，如同第一实施方式的情形，在MOVPE装置中，将光导层基板加热至1100℃，供应III族材料气体(TMG)和V族材料气体(NH3)以形成{10-11}晶面并闭合空孔CH的开口。图9(图中的(a2)至(a4))显示了此时空孔CH的形状相对于生长时间的变化。
如图9所示，如同第一实施方式的情形，随着生长时间的推移(1分钟、3分钟和5分钟)，{10-11}晶面优先生长，在生长开始5分钟后，使从相对面彼此相向生长的{10-11}晶面彼此接触以闭合空孔CH(图9,(a4))。此时，作为嵌入式空孔14C的顶面的(000-1)面和作为n-光导层14的表面的(0001)面之间的距离D1约为140nm(图9,(a4))。
注意，在此情况下，在n-光导层14的表面中由{10-11}晶面形成的生长面中的间隙的形状在第一实施方式中是正六边形，但在第二实施方式中是侧面具有不同长度的不规则六边形(图9，(a3)和(a4)的上方图像)。由于嵌入式空孔的截面形状具有相似的图形，故可以形成光子晶体层14P，其中通过调节图案化的初始形状嵌入不规则形状的空孔14C。
在通过{10-11}晶面闭合空孔CH后，如同第一实施方式的情形，停止供应III族材料气体。在供应V族材料气体(NH3)的同时，将温度以100℃/min的升温速率升至1200℃并保持。在1200℃保持(热处理)1分钟后，空穴的表面如图9所示的变化(图9(b))。在n-光导层14的表面中形成的{10-11}晶面消失，表面变成平坦(0001)面。表面通过质量传输平坦化，并且n-光导层14的表面变为(0001)面。
此时，形成的空孔14C在活性层15侧的面(即(000-1)面)与n-光导层14的表面(即(0001)面)之间的距离D2约为94nm(图9,(b))。空孔14C的高度HC约为136nm，空孔CH的截面的宽度WC约为58nm。
注意，如上所述，在第二实施方式中，生长面中的空孔14C的形状是侧面具有不同长度的不规则六边形。图10是示意性地说明生长面中的空孔14C的形状变化的图。
更具体地，n-光导层14中形成的空孔CH的形状是等腰直角三角形abc。空孔CH的形状通过平坦化生长和质量传输而改变。在平坦化生长和质量传输后，空孔14C具有作为侧表面的{10-10}面(m面)，并且在生长面中具有不规则六边形pqrstu的形状。换言之，空孔14C具有{10-10}面作为侧表面的多边形柱的形状，以及在与n-光导层14平行的面中相对于对角线(例如对角线ps和qt等)非对称的形状。
注意，在上述实施方式中，各种值等仅是实例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以适当地改变所述值。
上述实施方式描述了半导体结构层11具有电子阻挡层17的情况，但可以没有电子阻挡层17。作为另选，半导体结构层11可具有接触层、电流扩散层或另一个半导体层。
作为实例，本说明书描述了以下情况，其中第一导电型半导体(n型半导体)、活性层和第二导电型半导体(p型半导体，其是与第一导电型相反的导电类型)以此顺序生长；但第一导电型可以是p型，且第二导电型可以是n型。
如上所述，根据本发明，可以提供表面发射激光器及其制造方法，该表面发射激光器包括具有均匀折射率周期和高衍射效应的光子晶体。还可以提供包含具有高填充因子和高光约束系数的光子晶体的表面发射激光器及其制造方法。
附图标记列表
10 光子晶体表面发射激光器
12 基板
13 n-披覆层
14 n-光导层
14P 光子晶体层
14C 空孔
15 活性层
16 光导层
18 p-披覆层

Claims (10)

1.一种通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法，其包括：
(a)在基板上生长第一导电型的第一披覆层的步骤；
(b)在所述第一披覆层上生长所述第一导电型的第一光导层的步骤；
(c)在所述第一光导层中，通过蚀刻在与所述第一光导层平行的面中形成具有二维周期性的空孔的步骤；
(d)供应含有III族材料和氮源的气体并进行生长以便在所述空孔的开口上方形成具有预定面方向的晶面的凹部，从而闭合所述空孔的开口的步骤；和
(e)在所述空孔的所述开口已闭合后，通过质量传输使所述凹部平坦化的步骤，
其中，在已进行了所述平坦化步骤后，所述空孔的侧面的至少一部分是{10-10}晶面。
2.如权利要求1所述的通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法，其中，所述方法在步骤(e)之后包括：(f)在所述第一光导层上生长活性层的步骤，其中，所述第一光导层的生长面是(0001)面，且在所述步骤(e)后的所述空孔在所述活性层侧的面是(000-1)面。
3.如权利要求1所述的通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法，其中，在所述步骤(e)后的所述空孔在所述第一披覆层侧的面包括{1-102}晶面。
4.如权利要求1所述的通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法，其中，在所述步骤(d)中，所述预定面方向的晶面包括{10-11}晶面。
5.如权利要求1所述的通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法，其中，所述步骤(d)中的生长温度是900℃以上且1100℃以下。
6.如权利要求1所述的通过MOVPE法制造由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器的方法，其中，所述步骤(e)中的所述质量传输的温度为1100℃以上。
7.一种由III族氮化物半导体制成的表面发射激光器，其包括：
形成在基板上的第一导电型的第一披覆层；
形成在所述第一披覆层上的所述第一导电型的第一光导层，所述第一光导层具有形成在其中的空孔，所述空孔排列成在与所述第一光导层平行的面中具有二维周期性；
形成在所述第一光导层上的活性层；
形成在所述活性层上的第二导电型的第二光导层，所述第二导电型是与所述第一导电型相反的导电类型；和
形成在所述第二光导层上的所述第二导电型的第二披覆层，
其中，所述第一光导层由空孔层和闭合层构成，所述空孔层形成在所述第一披覆层上并且具有所述空孔，所述闭合层形成在所述空孔层上并且具有在所述空孔上方的凹部和填入所述凹部内从而使所述第一光导层的上表面平坦化的平坦化部分，并且
所述空孔的至少一个侧表面是{10-10}晶面。
8.如权利要求7所述的表面发射激光器，其中，与所述活性层接触的所述第一光导层的表面是(0001)面，并且所述空孔在所述活性层侧的面是(000-1)面。
9.如权利要求7所述的表面发射激光器，其中，所述空孔具有多边柱形，并且所述空孔的至少一个侧面是{10-10}晶面。
10.如权利要求7所述的表面发射激光器，其中，所述空孔具有多边柱形，并且在与所述第一光导层平行的截面中相对于对角线具有不对称的截面。
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