CN112673535B - 表面发射激光器元件及制造表面发射激光器元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由III族氮化物半导体形成的表面发射激光器元件，该表面发射激光器元件包括：第一导电类型的第一包覆层；第一导电类型的第一引导层，其包括光子晶体层和第一嵌入层，该光子晶体层形成在第一包覆层上并且具有在平行于层的面内以二维周期性排列的孔，该第一嵌入层形成在所述光子晶体层上并且封闭所述孔；第二嵌入层，其在第一嵌入层上晶体生长；有源层，其形成于第二嵌入层上；第二引导层，其形成于有源层上；以及与第一导电类型相反的第二导电类型的第二包覆层，所述第二包覆层形成于第二引导层上。第一嵌入层的表面设置有凹坑，该凹坑布置在与孔相对应的表面位置处。

Description

表面发射激光器元件及制造表面发射激光器元件的方法
技术领域
本发明涉及表面发射激光器元件及其制造方法。
背景技术
近年来，使用光子晶体的表面发射激光器的开发已经取得进展。例如，专利文献1公开了目的是在不进行熔融处理的情况下执行制造的半导体激光器件。
另外，专利文献2公开了将光子晶体的微结构制造成GaN基半导体的制造方法。非专利文献1公开了减压生长使横向生长的速度增加以制造光子晶体。
非专利文献2公开了光子晶体激光器的面内衍射效应和阈值增益差。非专利文献3公开了方形晶格光子晶体激光器的三维耦合波模型。
现有技术文献
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 et al.:Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)pp.L1000-L1002(H.Miyake等人：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)pp.L1000-L1002)
非专利文献2：Tanaka et al.,Preprints of Autumn Meeting of 2016of theJapan Society of Applied Physics,15p-B4-20(Tanaka等人，Japan Society ofApplied Physics2016年秋季会议预印本，15p-B4-20)
非专利文献3：Y.Liang et al.:Phys.Rev.B Vol.84(2011)195119(Y.Liang等人：Phys.Rev.B Vol.84(2011)195119)
发明内容
技术问题
为了在包括光子晶体的表面发射激光器中以低阈值电流密度执行振荡操作，需要降低谐振器损耗。为了降低光子晶体表面发射激光器中的谐振器损耗，增加在平行于光子晶体层的方向上传播的光波的耦合系数(一维耦合系数：κ3)是有效的。
考虑到上述各点而做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种表面发射激光器及该表面发射激光器的制造方法，该表面发射激光器包括对于在光子晶体层传播的光波具有大的耦合系数的光子晶体并且允许在低阈值电流密度下进行振荡操作。
技术方案
根据本发明的第一实施方式的表面发射激光器元件是由III族氮化物半导体形成的表面发射激光器元件，该表面发射激光器元件包括：
第一导电类型的第一包覆层；
第一导电类型的第一引导层，其具有形成在第一包覆层上的光子晶体层和形成在光子晶体层上的第一嵌入层，该光子晶体层包括在与该第一引导层平行的表面中以二维周期性设置的孔隙，其中第一嵌入层封闭孔隙；
第二嵌入层，其是通过晶体生长而形成在第一嵌入层上的；
有源层，其形成于第二嵌入层上；
第二引导层，其形成于有源层上；以及
第二导电类型的第二包覆层，其形成于第二引导层上，第二导电类型是与第一导电类型相反的导电类型，其中
第一嵌入层具有包括设置于与孔隙相对应的表面位置处的凹坑的表面。
根据本发明的另一实施方式的制造方法是通过MOVPE方法制造由III族氮化物半导体形成的表面发射激光器元件的制造方法，该制造方法包括：
(a)在基板上生长第一导电类型的第一包覆层的步骤；
(b)在第一包覆层上生长第一导电类型的第一引导层的步骤；
(c)通过蚀刻在第一引导层中形成在与第一引导层平行的表面中以二维周期性设置的孔部分的步骤；
(d)供应含有氮源的气体，以通过传质形成封闭孔部分的开口的第一嵌入层的步骤；
(e)在形成第一嵌入层之后供应III族原材料以形成第二嵌入层的步骤，该第二嵌入层嵌入所述第一嵌入层以进行平坦化，其中，
在步骤(d)中，第一嵌入层具有包括源自孔隙的凹坑的表面。
附图说明
图1是示意性地例示根据本发明实施方式的包括光子晶体层的表面发射激光器元件的结构的示例的截面图。
图2是示意性地例示图1的光子晶体层中所排列的光子晶体层和孔隙(空腔)的放大截面图。
图3包括示意性地例示了孔隙(void)CH的形成步骤的截面图。
图4A是例示在形成孔隙CH之后的步骤中的引导层基板的表面的SEM图像的图。
图4B是例示在形成孔隙CH之后的步骤中的引导层基板的截面的SEM图像的图。
图5A是例示嵌入有孔隙CH的n引导层14的一部分的截面SEM图像的图。
图5B是示意性地例示图5A所示的截面的图。
图6A是例示第一嵌入层14A的表面形态的AFM图像。
图6B是例示沿图6A中的线A-A截取的截面的表面粗糙度的曲线图。
图6C是例示沿图6A中的线B-B截取的截面的表面粗糙度的曲线图。
图7A是例示其中嵌入有孔隙14C的n引导层14的一部分的截面SEM图像的图。
图7B是示意性地例示图7A中所示的截面的图。
图8A是例示第二嵌入层21的表面形态的AFM图像。
图8B是例示沿图8A中的线A-A截取的截面的表面粗糙度的曲线图。
图9是例示用于通过耦合波公式计算光耦合系数κ3的GaN基光子晶体表面发射激光器元件的截面结构的图。
图10A是例示耦合系数κ3相对于嵌入层14D的层厚DP(有源层15与光子晶体层14P之间的距离)的变化的曲线图。
图10B是例示阈值增益相对于嵌入层14D的层厚DP的变化的曲线图。
图11是例示作为实施方式的比较例的孔隙的嵌入方法的示意图。
图12是例示实施方式的半导体结构层11的SIMS分析结果的曲线图。
具体实施方式
尽管以下描述了本发明的优选实施方式，但是这些实施方式可以适当地被修改和组合。在以下描述和附图中，相同的附图标记被赋予实际上相同或等同部分以用于描述。
[光子晶体表面发射激光器的阈值增益]
通常，在光子晶体表面发射激光器(以下也简称为光子晶体激光器)中，谐振器内部的衍射光栅的衍射效率由耦合系数κ表示，并且耦合系数κ越大，阈值增益变得越小。
在光子晶体表面发射激光器中，在与光子晶体层平行的表面内传播的光波不仅相对于光波的行进方向在±180°方向上衍射而且还在±90°方向上衍射。因此，除了在±180°方向上传播的光波的耦合系数κ3(一维耦合系数)之外，还存在在±90°方向上传播的光波的耦合系数κ2D(二维耦合系数)。
即，在包括光子晶体的表面发射激光器中，在表面内部传播的光波由于光子晶体的衍射效应而衍射，从而形成二维谐振模式。在此，当光未被光子晶体所衍射的分量在面内方向上泄漏时，谐振器损耗增加，导致阈值增益增大。因此，只要能够抑制谐振器损耗，就能够减小阈值增益，并且能够在低阈值电流密度下执行振荡操作。
为了降低光子晶体表面发射激光器中的谐振器损耗并在低阈值电流密度下执行振荡操作，有效的是增大在光子晶体层表面内部传播的光波的耦合系数(κ3)。
[光子晶体表面发射激光器的结构的示例]
图1是示意性地例示包括光子晶体层的表面发射激光器元件(在下文中也简称为光子晶体激光器)10的结构的示例的截面图。如图1所示，半导体结构层11形成在基板12上。更具体地，在基板12上，n包覆层13、包括第一嵌入层14A的n引导层14、第二嵌入层21、有源层15、引导层16、电子阻挡层(EBL)17和p包覆层18按此次序依次形成。即，半导体结构层11由半导体层13、14、15、16、17和18构成。n引导层14包括光子晶体层14P。半导体结构层11由六方晶系氮化物半导体形成。例如，半导体结构层11由GaN基半导体形成。
在基板12(的背表面)上，形成n电极19A，并且在p包覆层18(的顶表面)上形成p电极19B。例如，p电极19B可以以围绕光子晶体区域的适当形状(诸如环形形状)形成。
在这种情况下，来自表面发射激光器元件10的光在垂直于有源层15的方向上从半导体结构层11的顶表面(即，p包覆层18的表面)向外部发出。
能够采用如下结构：来自表面发射激光器元件10的光从半导体结构层11的下表面侧向外部发出。在这种情况下，例如，n电极19A能够形成为环形形状，并且p电极19B能够设置在面对n电极19A的中心的位置。
图2是示意性地例示光子晶体层14P和排列(arrayed)在图1的光子晶体层14P中的孔隙(空腔)14C的放大截面图。孔隙14C布置为在晶体生长面(半导体层叠面)(即，与n引导层14平行的面(附图中的截面A-A))上的例如方形晶格图案上具有间隔PC，并且各个孔隙14C二维地排列在方形晶格点位置处并且嵌入要形成的n引导层14中。注意，孔隙14C的阵列不限于方形晶格图案，而仅需要是周期性的二维阵列(诸如三角形晶格图案和六边形晶格图案)。
n引导层14包括嵌有光子晶体层(PCL)14P的第一嵌入层14A。第一嵌入层14A是在二维排列的孔隙14C的顶表面上的半导体层(即，以孔隙14C的顶表面为其底表面的半导体层)。n引导层14还包括光子晶体层(PCL)14P，以及与光子晶体层(PCL)14P相比更靠近基板侧的作为晶体层的基础层14B。另选地，在第一嵌入层14A上形成第二嵌入层21。
[光子晶体表面发射激光器的谐振效应]
为了在包括光子晶体部分的表面发射激光器(在下文中有时简称为光子晶体表面发射激光器)中获得谐振效应，期望在光子晶体部分中具有高衍射效应。
即，为了提高光子晶体表面发射激光器中的衍射效应，以下是优选的。
(1)当振荡波长表示为λ并且光子晶体部分的有效折射率表示为neff时，光子晶体部分中的二维折射率周期P在二维方形晶格光子晶体的情况下满足P＝mλ/neff(m是自然数)；并且在二维三角形晶格光子晶体的情况下满足P＝mλ×2/(31/2×neff)(m为自然数)。
(2)在光子晶体部分中改进的折射率面积与基材的比例(FF：填充率)足够大。
(3)在光子晶体表面发射激光器中的光强度分布中，分布在光子晶体部分中的光强度的比例(ΓPC：约束因子)足够大。
为了满足(1)，需要根据光子晶体激光器的振荡波长适当地设置光子晶体的晶格常数(间隔PC)。
在此，由于折射率周期P＝间隔PC，因此可以基于满足上述(1)的P来设置PC。
例如，在使用氮化镓基材料以405nm的波长振荡的情况下，neff为约2.5。因此，通过使用二维方形晶格光子晶体，晶格常数优选地设置为163nm左右。
在二维方形晶格光子晶体中，光波的衍射方向与晶格的排列方向相同。同时，在二维三角形晶格光子晶体中，光波在相对于晶格的排列方向倾斜30°的方向上衍射。因此，在上述(1)中，P乘以2/31/2，其中二维三角形晶格光子晶体满足P。
实施方式1
[包覆层和引导层的生长]
下面将详细描述半导体结构层11的制造步骤。作为晶体生长方法，使用金属有机气相外延(MOVPE)方法，并且通过常压(大气压)生长在生长基板12上生长半导体结构层11。
作为用于半导体结构层11的生长的基板，采用具有+c面作为生长表面的n型GaN基板12，其中c轴相对于a轴倾斜0.4°。轴的倾斜度(偏离角)可以在利用GaN基半导体可以外延生长的范围内适当改变。在基板12上，生长铝(Al)组分为4％的n型AlGaN(层厚：2μm)作为n包覆层13。作为III族MO(有机金属)材料，使用三甲基镓(TMG)和三甲基铝(TMA)，并将氨气(NH3)用作V族材料。另选地，供应硅烷(SiH4)作为掺杂材料。室温下的载流子浓度为大约2×1018cm-3。
随后，供应TMG和NH3，并且生长n型GaN(层厚：300nm)作为n引导层14。在生长的同时供应硅烷(SiH4)，并因此执行掺杂。载流子浓度为大约2×1018cm-3。
[引导层中的孔隙形成]
从MOVPE设备中取出已生长有n引导层14的基板，即具有n引导层14的基板(以下，也称为引导层基板)，并在n引导层14中形成微细的孔隙(孔)。下面参照图3、图4A和图4B详细描述孔隙的形成。图3是示意性地例示孔隙CH的形成步骤的截面图。图4A和图4B各自例示了出在形成孔隙CH之后的步骤中的引导层基板的表面和截面的扫描电子显微镜(SEM)的图像。图4B例示了沿图4A的表面SEM图像中所示的虚线(白色)截取的截面SEM图像。
清洁其中生长有n包覆层13和n引导层14的引导层基板，以获得引导层基板的清洁表面(图3，(i))。之后，通过等离子体CVD形成氮化硅膜(SiNx)SN(膜厚110nm)(图3，(ii))。
接着，通过旋涂法在SiNx膜SN上以大约300nm的厚度涂覆电子束(EB)拉伸抗蚀剂RZ，并且将所得产物放入电子束拉伸装置中，从而形成在引导层基板的表面上具有两维周期性结构的图案(图3，(iii))。更具体地，在抗蚀剂RZ的表面中以方形晶格图案按照间隔PC＝163nm来执行直径为100nm的二维排列的圆点的图案化。
在对图案化的抗蚀剂RZ进行显影之后，通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)设备选择性地干法刻蚀SiNx膜SN(图3，(iv))。因此，在SiNx膜SN中形成按照面内间隔PC以方形晶格图案二维排列的柱状通孔。
随后，去除抗蚀剂RZ，并且使用图案化的SiNx膜SN作为硬掩模，从表面到n引导层14(GaN)的内部形孔隙CH。更具体地，ICP-RIE设备使用氯基气体执行干法刻蚀，以在n引导层14中形成二维排列的孔隙CH(图3，(v))。
图4A和图4B分别例示了此时在n引导层14中形成的孔隙CH的表面SEM图像和截面SEM图像。如表面SEM图像中所示，形成了按照163nm的孔隙之间的间隔(周期)PC以方形晶格图案(即，在方形晶格点处)二维排列的多个孔隙CH。如图4B的截面SEM图像中所示，形成于n引导层14中的孔隙CH的深度为大约150nm，并且孔隙CH的直径为大约100nm。即，孔隙CH是向顶表面开口的凹陷(孔)，并且具有大致柱状。
[第一嵌入层]
使用氢氟酸(HF)去除在n引导层14中形成了具有二维周期性的孔隙CH的引导层基板的SiNx膜SN(图3，(vi))，执行清洁以获得清洁表面，并且将所得产物再次引入MOVPE设备。
在MOVPE设备中，在不供应III族原村料而供应NH3作为氮源的同时，增加温度，以将引导层基板加热至1150℃，并在升温后执行1分钟的退火，以通过传质(mass transport)来封闭孔隙CH，并形成第一嵌入层14A。供应氮气(N2)作为环境气体。
图5A例示了其中嵌入有孔隙CH的n引导层14的一部分的截面SEM图像。图5B例示了该部分的示意性截面图。如图5A和图5B所示，形成了具有六棱柱结构并且具有{10-10}小平面(预定面方向上的小平面)的内表面、70nm的宽度(WC)和118nm的深度(HC)的孔隙(空腔)14C。更具体地，在孔隙14C的有源层侧的表面(顶表面)上出现(000-1)面，并且在孔隙14C的侧表面上出现{10-10}面，以及在基板12侧的底部上出现{1-102}小平面。
此时，在n引导层14的顶部上，从由孔隙14C的上表面形成的平坦表面通过n引导层14的表面形成第一嵌入层14A。第一嵌入层14A具有26nm的层厚(D1)。
图6A是例示第一嵌入层14A的表面形态的原子力显微镜(AFM)的图像。图6B是例示沿图6A中的线A-A截取的截面的表面粗糙度的曲线图，并且图6C是例示沿图6A中的线B-B截取的截面的表面粗糙度的曲线图。可以确认，第一嵌入层14A的表面由GaN(0001)面形成，并且具有阶梯状平台结构，在阶梯状平台结构中，以与间隔PC(＝163nm)大致相同程度的宽度执行聚束。
如图6A所示，可以确认在第一嵌入层14A的表面上与孔隙14C相对应的表面位置处，按照孔隙14C的间隔以方形晶格图案出现凹坑PT。即，确认到相对于孔隙14C在晶体取向[0001]上出现了凹坑PT，并且在本实施方式中，当在顶视图中观察第一嵌入层14A时，在与孔隙14C交叠的位置处出现了凹坑PT。即，在第一嵌入层14A的表面上出现源自孔隙14C或由孔隙14C引起的凹坑PT。注意，在晶体的偏离角大的情况下，当在顶视图中观察第一嵌入层14A时，可能存在凹坑PT不与孔隙14C交叠而是相对于孔隙14C出现在晶体取向[0001]上的情况。
注意，在第一嵌入层14A的形成中，凹坑PT不需要在第一嵌入层14A的表面上以二维阵列规则地排列。仅需要通过传质而形成第一嵌入层14A，以具有在第一嵌入层14A的表面上留有凹坑PT的表面状态。
第一嵌入层14A不限于GaN。作为第一嵌入层14A，可以形成其他晶体(例如，三元晶体或四元晶体)GaN基半导体晶体层，并且第一嵌入层14A优选地具有比n包覆层的折射率高的折射率。例如，能够使用具有比n包覆层13，InGaN等的Al组分低的Al组分的AlGaN。
[第二嵌入层]
在形成第一嵌入层14A之后，在温度保持1150℃的情况下，供应III族材料气体(TMG)和V族材料气体(NH3)，以形成第二嵌入层21。在实施方式中，同时供应氢(H2)。
图7A例示了此时嵌入有孔隙14C的n引导层14的一部分的截面SEM图像，并且图7B例示了该部分的示意性截面图。
能够在不改变孔隙14C的形状的情况下形成第二嵌入层21。在这种情况下，第一嵌入层14A的厚度(D1＝26nm)和第二嵌入层21的厚度(D2＝34nm)之和为60nm。
图8A和图8B分别是例示示出第二嵌入层21的表面形态的AFM图像以及沿图8A中的线A-A截取的截面的表面粗糙度的曲线图。
如图8B所示，确认第二嵌入层21的表面具有阶梯状平台结构，其中，阶梯高度等于GaN的一个双层的高度，并且能够获得原子上平坦的GaN(0001)面。
如上所述，在第一嵌入层14A的形成中，结束通过传质进行嵌入，以具有在第一嵌入层14A的表面上出现凹坑PT的表面状态，从而形成第一嵌入层14A。第一嵌入层14A优选地形成为具有凹坑PT至少部分规则地排列并留在第一嵌入层14A的表面上的状态。
这是因为当在形成第一嵌入层14A期间在传质中通过Ga和/或GaN形成的迁移原子和/或分子完全掩埋凹坑PT时，第一嵌入层14A变为具有类似于其他部分的表面状态，迁移原子和/或分子聚集在残留在第一嵌入层14A上的缺陷部分或具有转移的部分中而形成小丘(突出部分)，这抑制了第二嵌入层21的平坦化。
另选地，这是因为，只要凹坑PT成为第二嵌入层21的生长(再生长)的起点，或者存在留有凹坑PT但凹坑PT不一定规则的表面状态，就实现了第二嵌入层21的均匀性和平坦性。
为了使嵌入的凹坑PT平坦化，第二嵌入层21的层厚优选地大于第一嵌入层14A的层厚。
尽管已经以生长GaN作为第二嵌入层21的示例进行了描述，但是第二嵌入层21的晶体组成可以与第一嵌入层14A的晶体组成不同。作为第二嵌入层21，可以形成另一种晶体(例如，三元晶体或四元晶体)的GaN基半导体晶体层。例如，作为第二嵌入层21，能够使用诸如InGaN层之类的组分中含有In的晶体层。另外，与GaN晶体层的情况相比，形成相对于发射波长具有比第一嵌入层的折射率高的折射率的晶体层作为第二嵌入层21允许增加耦合系数κ3。
形成第二嵌入层21的温度优选的是，在组成材料为GaN的情况下在750℃至1150℃的范围内，以及在组成材料为InGaN的情况下在750℃至900℃的范围内。
[有源层、p侧半导体层的生长]
随后，生长多量子阱(MQW)层作为有源层15。MQW的阻挡层和阱层(well)分别是GaN和InGaN。在基板的温度降低到800℃之后，供应三乙基镓(TEG)作为III族原子的供应源，并供应NH3作为氮源，从而生长阻挡层。设置与阻挡层的温度相同的温度，供应TEG和三甲基铟(TMI)作为III族原子的供应源，并且供应NH3作为氮源，从而生成阱层。在本实施方式中，来自有源层15的光致发光(PL)光线的中心波长为410nm。
在生长有源层之后，将基板保持在800℃，并且以100nm的层厚来生长p侧引导层16。供应TEG和NH3，并且生长p侧引导层16作为未掺杂有掺杂剂的未掺杂GaN(u-GaN)。
在生长p侧引导层16之后，以100℃/分钟的速度将基板温度升高至1050℃，以生长电子阻挡层(EBL)17和p包覆层18。供应TMG和TMA作为III族原子源，并且供应NH3作为氮源，从而生长EBL17。供应TMG和TMA作为III族原子源，并且供应NH3作为氮源，从而生长p包覆层18。EBL 17和p包覆层18中的Al浓度分别为18％和6％，并且层厚分别为17nm和600nm。在EBL17和p-包覆层18的各自生长中，与III族原子源气体和氮源同时供应双环戊二烯基镁(Cp2Mg)作为掺杂剂。在700℃的空气中激活5分钟的p包覆层(p-AlGaN包覆层)18具有4×1017cm-3的载流子浓度。
[耦合系数κ3]
如上所述，为了减少光子晶体表面发射激光器中的谐振器损耗并以低阈值电流密度执行振荡操作，有效的是增加在光子晶体层14P表面内部传播的光波的耦合系数κ3。
为了检验这一点，通过求解具有图9所示的结构的GaN基光子晶体表面发射激光器元件的耦合波公式，可以计算光耦合系数κ3。
用于计算图9中所示的光耦合系数κ3的光子晶体表面发射激光器具有以下结构：n包覆层13(n-Al0.04Ga0.96N：层厚为2,000nm)、n引导层14(n-GaN：层厚为120nm)、光子晶体层14P(n-GaN：层厚120nm)、嵌入层14D(n-GaN：层厚DP＝0至120nm)、有源层(量子阱层(具有两层(u-In0.08Ga0.92N)的MQW))、p侧引导层16(u-GaN：层厚120nm)、EBL 17(p-Al0.18Ga0.82N：层厚17nm)以及P包覆层18(p-Al0.06Ga0.94N：层厚600nm)以该次序层叠。
图10A和图10B例示了耦合系数κ3和阈值增益相对于嵌入层14D的层厚DP(即，有源层15与光子晶体层14P之间的距离)的各自变化。图10A和图10B例示了填充系数(FF)为6％的情况。
如图10A和图10B所示，可以看出，为了增加耦合系数κ3并在低阈值电流密度下执行振荡操作，第一嵌入层14A和第二嵌入层21的总层厚(或有源层15与光子晶体层14P之间的距离)DP优选地为100nm或更小。总层厚优选地在20nm至100nm的范围内。
如上所述，在实施方式中，(i)在供应含有氮源的气体的同时，对在n引导层14中形成有具有二维周期性的孔隙CH的引导层基板执行退火，以通过传质使孔隙开口封闭，从而形成第一嵌入层，(ii)供应III族原料和含有氮源的气体，以形成第一嵌入层。
当温度升高至发生传质的温度时，孔隙形状改变，使得表面能变为最小。即，例如，C面GaN的孔隙的侧表面变形为悬空键密度小的{10-10}面。通过退火封闭(阻断)孔隙，并且形成具有由(0001)面形成的表面的第一嵌入层。此时，第一嵌入层的表面成为阶梯状平台结构，在该阶梯状平台结构中，以与孔隙的周期间隔相同的宽度进行聚束。由于退火温度是发生传质的温度，因此，在n引导层由GaN形成的情况下，封闭孔隙CH时的退火温度优选地在从1000℃至1200℃的范围中。
另外，第一嵌入层由与形成孔隙的n引导层相同的元素形成。
通过供应III族原材料以新生长层来形成第二嵌入层。因此，与第一嵌入层一样，第二嵌入层不需要由与形成孔隙的n引导层相同的元素形成。但是，从光约束的观点来看，第二嵌入层优选地由折射率与第一嵌入层的折射率相同或更大的材料制成。
利用第二嵌入层，恢复了第一嵌入层的聚束的表面结构，并且获得了阶梯高度等于一个双层的高度的阶梯状平台结构的表面。因此，第二嵌入层的表面成为原子上平坦的(0001)面。
上述方法允许GaN基光子晶体表面发射激光器中的光子晶体层和有源层之间的距离为100nm或更小。即，在GaN基材料光子晶体表面发射激光器中，能够实现其中光耦合系数κ3能够增加并且能够在低阈值电流密度下执行振荡操作的光子晶体表面发射激光器。
[比较例的孔隙嵌入方法和结构]
图11是例示作为实施方式的比较例的孔隙的嵌入方法的示意图。比较例与实施方式类似，使用氢氟酸(HF)去除其中在n引导层14中形成了具有二维周期性的孔隙CH的引导层基板的SiNx膜SN，执行清洁以获得清洁表面，然后将所得产物再次引入MOVPE设备中(图11中的(a))。
在比较例中，在MOVPE设备中将引导层基板加热至1050℃，供应III族材料气体(TMG)和V族材料气体(NH3)，以执行晶体生长，从而在基板表面上形成具有{10-11}小平面的凹陷部，并且孔隙CH的开口被封闭(图11中的(b))。
此时，作为嵌入孔隙CH的顶表面的(000-1)面与作为n引导层14的最外表面的(0001)面之间的距离E1约为140nm(图11中的(b))。
在通过{10-11}小平面封闭孔隙CH之后，停止供应III族材料气，以100℃/分钟的升温速度将温度增加至1150℃，同时供应V族材料气体(NH3)，并将温度保持一分钟。这消除了形成于n引导层14的表面上的{10-11}小平面。即，通过传质使表面平坦化。
此时，形成为嵌入的孔隙(空腔)14C的有源层15侧上的表面(顶表面，(000-1)面)与n引导层14的表面(即，(0001)面)之间的距离E2约为105nm。
即，比较例的孔隙嵌入方法优先生长{10-11}小平面以封闭孔隙，随后通过退火在表面上形成(0001)面。该制造方法能够使光子晶体层14P与有源层15之间的距离仅变薄约100nm。即，该方法不能增加GaN基光子晶体表面发射激光器中的光耦合系数κ3，并且难以在低阈值电流密度下进行振荡操作。
[结晶度：SIMS分析]
由于在通过蚀刻在n引导层14中形成孔隙CH期间引入了氧，所以氧也被无意地带到第一嵌入层中。
在上述实施方式中，由于供应III族材料气体(TMG)、V族材料气体(NH3)和氢(H2)来形成第二嵌入层21，因此被无意地带入第二嵌入层21中的氧显著减少。例如，带入第二嵌入层21的氧为5×1016cm-3或更小。
图12例示了如上所述形成的实施方式的半导体结构层11的二次离子质谱(SIMS)分析的结果。图12例示了从p包覆层18的一部分到n包覆层13的一部分的分析结果。如按照氧(O)的浓度分布所示，确认在蚀刻以形成孔隙CH期间混入的氧在第一嵌入层14A中以3×1018cm-3存在的同时，第二嵌入层21中的氧浓度为2×1016cm-3或更小(检测下限或更小)。
因此，确认了在第二嵌入层21中，抑制了由于高浓度氧的掺杂而在晶体中产生了III族原子孔隙，并且能够获得具有令人满意的晶体的膜。因此，在第二嵌入层21上生长的晶体层也具有令人满意的结晶度。
实施方式中的各种类型的值等仅是示例，并且可以在不脱离本发明范围的范围内适当地改变。
尽管在实施方式中已经以包括电子阻挡层17的半导体结构层11的示例进行了描述，但是可以省略电子阻挡层17。另选地，半导体结构层11可以包括任何包含接触层和电流扩散层的半导体层。
另外，尽管本说明书用其中第一导电类型的半导体(n型半导体)、有源层、第二导电类型的半导体(导电类型与第一导电类性相反的p型半导体)以该次序生长的示例给出了描述，但是第一导电类型可以是p型，第二导电类型可以是n型。
如上面已经详细描述的，本发明允许提供了表面发射激光器以及该表面发射激光器的制造方法，该表面发射激光器允许增大在平行于光子晶体层的方向上传播的光波的耦合系数κ3，减小谐振器损耗，并且能够在低阈值电流密度下执行振荡操作。
附图标记列表
10：光子晶体表面发射激光器
12：基板
13：n包覆层
14：n引导层
14A：第一嵌入层
14P：光子晶体层
14C：孔隙
15：有源层
16：引导层
18：p包覆层
21：第二嵌入层

Claims (14)

1.一种由III族氮化物半导体形成的表面发射激光器元件，该表面发射激光器元件包括：
第一导电类型的第一包覆层；
第一导电类型的第一引导层，该第一引导层具有形成在所述第一包覆层上的光子晶体层和形成在所述光子晶体层上的第一嵌入层，该光子晶体层包括在与该第一引导层平行的表面中以二维周期性设置的孔隙，其中所述第一嵌入层封闭所述孔隙；
第二嵌入层，该第二嵌入层是通过晶体生长而形成在所述第一嵌入层上的；
有源层，该有源层形成于所述第二嵌入层上；
第二引导层，该第二引导层形成于所述有源层上；以及
第二导电类型的第二包覆层，该第二包覆层形成于所述第二引导层上，所述第二导电类型是与所述第一导电类型相反的导电类型，其中
所述第一嵌入层具有包括设置于与所述孔隙相对应的表面位置处的凹坑的表面。
2.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，
所述第一嵌入层的表面包括与所述孔隙相对应地规则排列的凹坑。
3.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，
所述第二嵌入层具有与所述第一嵌入层的晶体组成不同的晶体组成。
4.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述第一嵌入层具有与所述光子晶体层的晶体组成相同的晶体组成。
5.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述第二嵌入层是相对于来自所述有源层的发射波长折射率等于或大于所述第一嵌入层的折射率的晶体层。
6.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述第二嵌入层包括In作为该第二嵌入层的晶体组成。
7.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述第一嵌入层和所述第二嵌入层的总层厚在从20nm至100nm的范围内。
8.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述第一嵌入层的表面是(0001)面，并且具有阶梯状平台结构，所述阶梯状平台结构包括以所述孔隙的间隔进行聚束的聚束阶梯。
9.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述第二嵌入层的表面是(0001)面并且具有阶梯高度等于一个双层的高度的阶梯状平台结构。
10.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述孔隙中的每一个的多个侧表面中的至少一个是{10-10}小平面。
11.根据权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中，所述第二嵌入层中所含的氧的浓度为5×1016cm-3或更小。
12.一种通过MOVPE方法制造由III族氮化物半导体形成的表面发射激光器元件的制造方法，该制造方法包括：
(a)在基板上生长第一导电类型的第一包覆层的步骤；
(b)在所述第一包覆层上生长所述第一导电类型的第一引导层的步骤；
(c)通过蚀刻在所述第一引导层中形成在与所述第一引导层平行的表面中以二维周期性设置的孔部分的步骤；
(d)供应含有氮源的气体，以通过传质形成封闭所述孔部分的开口的第一嵌入层的步骤；
(e)在形成所述第一嵌入层之后供应III族原材料以形成第二嵌入层的步骤，该第二嵌入层嵌入所述第一嵌入层以进行平坦化，其中，
在步骤(d)中，所述第一嵌入层具有包括源自孔隙的凹坑的表面。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其中，
在步骤(c)中，在所述第一引导层中形成以两个垂直轴作为排列方向的周期性设置的孔部分。
14.根据权利要求12所述的制造方法，其中，
所述第一嵌入层具有包括与所述孔隙相对应地规则排列的凹坑的表面。
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