JP2013093367A - Manufacturing method of photonic crystal surface emission laser - Google Patents
Manufacturing method of photonic crystal surface emission laser Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013093367A JP2013093367A JP2011232983A JP2011232983A JP2013093367A JP 2013093367 A JP2013093367 A JP 2013093367A JP 2011232983 A JP2011232983 A JP 2011232983A JP 2011232983 A JP2011232983 A JP 2011232983A JP 2013093367 A JP2013093367 A JP 2013093367A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nitride semiconductor
- photonic crystal
- axis
- manufacturing
- plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a photonic crystal surface emitting laser.
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く報告されている。例えば、特許文献１には、活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を形成した面発光レーザが開示されている。
この２次元フォトニック結晶は、半導体層に円柱状の空孔等の周期構造体が周期的に設けられており、２次元的に周期的な屈折率分布を持っている。
周期的な屈折率分布により、活性層で生成される光が共振し、定在波を形成してレーザ発振する。
このようなフォトニック結晶面発光レーザにおいて、特許文献２では上下方向へのビームの射出割合を制御できる構造が提案されている。
この特許文献２のものにおいては、フォトニック上下方向に空孔等の周期構造体の大きさを変化させる構造、即ち上下非対称な大きさを持つ構造体を用いて、上下方向へのビームの射出割合が制御できるように構成されている。
In recent years, many examples of applying photonic crystals to semiconductor lasers have been reported. For example, Patent Document 1 discloses a surface emitting laser in which a two-dimensional photonic crystal is formed in the vicinity of an active layer.
In this two-dimensional photonic crystal, periodic structures such as columnar holes are periodically provided in a semiconductor layer, and the refractive index distribution is two-dimensionally periodic.
Due to the periodic refractive index distribution, the light generated in the active layer resonates, forms a standing wave, and oscillates.
In such a photonic crystal surface emitting laser, Patent Document 2 proposes a structure capable of controlling the beam emission ratio in the vertical direction.
In this Patent Document 2, a beam is emitted in the vertical direction using a structure that changes the size of a periodic structure such as a hole in the photonic vertical direction, that is, a structure having an asymmetrical size. It is configured so that the ratio can be controlled.
しかしながら、上記従来例の特許文献２のようなフォトニック結晶面発光レーザにおいて、上下非対称な大きさを持つ構造体を精度良く製造することは困難であるという課題を有している。
すなわち、特許文献２では、上下非対称な大きさを持つ構造体を、パターニング工程とエッチング工程を複数回繰り返す、いわゆる多段エッチングの方法を用いて製造する方法が開示されている。
しかし、多段エッチングを用いた場合、複数回のパターニング工程間の位置あわせが必要になる。
特に、フォトニック結晶面発光レーザを形成する周期構造体の場合は、構造体の大きさが小さいため、位置合わせへの要求精度が高い。
従って、このような特許文献２に開示されている手法を用いて、フォトニック結晶面発光レーザにおける上下非対称な周期構造体を精度良く製造することは困難である。
However, in the conventional photonic crystal surface emitting laser as disclosed in Patent Document 2, there is a problem that it is difficult to accurately manufacture a structure having a vertically asymmetric size.
That is, Patent Document 2 discloses a method of manufacturing a structure having a vertically asymmetric size using a so-called multistage etching method in which a patterning step and an etching step are repeated a plurality of times.
However, when multi-stage etching is used, it is necessary to align a plurality of patterning steps.
In particular, in the case of a periodic structure that forms a photonic crystal surface emitting laser, the size of the structure is small, so that the required accuracy for alignment is high.
Therefore, it is difficult to accurately manufacture a vertically asymmetric periodic structure in a photonic crystal surface emitting laser using the technique disclosed in Patent Document 2.
本発明は、上記課題に鑑み、上下方向へのビームの射出割合を制御する、上下非対称な大きさを持つ構造体を製造する際に、このような構造体を精度良く容易に製造することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法の提供を目的とする。 In view of the above problems, the present invention makes it possible to easily manufacture such a structure with high accuracy when manufacturing a structure having a vertically asymmetric size that controls the beam emission ratio in the vertical direction. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photonic crystal surface emitting laser that can be used.
本発明のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、窒化物半導体基板の上に、２次元フォトニック結晶を備えたフォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
前記窒化物半導体基板として、該窒化物半導体基板のＣ軸が該窒化物半導体基板の法線と該窒化物半導体基板の主面との双方から傾いた構造を有する窒化物半導体基板を用い、
前記窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体層を成長させる成長工程と、
前記窒化物半導体層に、エッチングマスクを用いて前記２次元フォトニック結晶を形成するための細孔をエッチングにより形成するエッチング工程と、
前記細孔が形成された窒化物半導体層を、窒素を含む原料雰囲気下で該窒化物半導体層を構成する原子を輸送させる熱処理を行い、該熱処理によって該細孔の深さ方向の形状を上下非対称に変化させる熱処理工程と、
を有することを特徴とする。
The method for producing a photonic crystal surface emitting laser according to the present invention is a method for producing a photonic crystal surface emitting laser having a two-dimensional photonic crystal on a nitride semiconductor substrate,
As the nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor substrate having a structure in which the C-axis of the nitride semiconductor substrate is tilted from both the normal line of the nitride semiconductor substrate and the main surface of the nitride semiconductor substrate,
A growth step of growing a nitride semiconductor layer including an active layer on the nitride semiconductor substrate;
An etching step for forming, by etching, pores for forming the two-dimensional photonic crystal in the nitride semiconductor layer using an etching mask;
The nitride semiconductor layer in which the pores are formed is subjected to a heat treatment for transporting atoms constituting the nitride semiconductor layer in a raw material atmosphere containing nitrogen, and the shape in the depth direction of the pores is vertically changed by the heat treatment. A heat treatment process that changes asymmetrically;
It is characterized by having.
本発明によれば、上下方向へのビームの射出割合を制御する、上下非対称な大きさを持つ構造体を製造する際に、このような構造体を精度良く容易に製造することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to easily manufacture such a structure with high accuracy when manufacturing a structure having an asymmetrical size that controls the beam emission ratio in the vertical direction. A method of manufacturing a photonic crystal surface emitting laser can be realized.
以下に、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。
なお、以下の各実施形態の間での説明において、同一の構成要素については同一の符号を付して説明する。
［実施形態１］
実施形態１として、本発明を適用したフォトニック結晶面発光レーザの製造方法におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造工程を、図１及び図２を用いて各工程毎に
順次説明する。
まず、前処理工程を行う。
図１（ａ）に示す成長工程について説明する。
窒化物半導体基板１０１に、ｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３、ｐ型窒化物半導体層１０４を、例えばＭＯＣＶＤ法等によって、順次、エピタキシャル成長させる。
窒化物半導体基板１０１のＣ軸（［０００１］方向）は、窒化物半導体基板１０１の法線１１１から、０度と９０度でない角度θだけ傾いている。
即ち、Ｃ軸は窒化物半導体基板１０１の法線１１１、主面１１２の双方から傾いている。窒化物半導体とは、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮまたは、これらの混晶を意味する。活性層１０３は、ｎ型窒化物半導体層１０２およびｐ型窒化物半導体層１０４のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを持つ窒化物半導体から形成される。活性層１０３は例えば多重量子井戸を用いる。
Hereinafter, a method for manufacturing a photonic crystal surface emitting laser according to an embodiment of the present invention will be described.
In the description between the following embodiments, the same constituent elements will be described with the same reference numerals.
[Embodiment 1]
As Embodiment 1, the manufacturing process of the photonic crystal surface emitting laser 100 in the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser to which the present invention is applied will be sequentially described for each process with reference to FIGS.
First, a pretreatment process is performed.
The growth process shown in FIG.
An n-type nitride semiconductor layer 102, an active layer 103, and a p-type nitride semiconductor layer 104 are sequentially epitaxially grown on the nitride semiconductor substrate 101 by, for example, MOCVD.
The C-axis ([0001] direction) of the nitride semiconductor substrate 101 is tilted from the normal 111 of the nitride semiconductor substrate 101 by an angle θ that is not 0 degrees and 90 degrees.
That is, the C axis is inclined from both the normal line 111 and the main surface 112 of the nitride semiconductor substrate 101. A nitride semiconductor means AlN, InN, GaN, or a mixed crystal thereof. The active layer 103 is formed of a nitride semiconductor having a narrower band gap than that of the n-type nitride semiconductor layer 102 and the p-type nitride semiconductor layer 104. The active layer 103 uses, for example, a multiple quantum well.
次に、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すエッチング工程を行う。
ｐ型窒化物半導体層１０４上に、プラズマＣＶＤやスパッタ等によって、エッチングマスク１０５を成膜する。
エッチングマスク１０５の材料は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンを用いる。その後、電子線リソグラフィ等によってレジストからなるフォトニック結晶パターンを作製する。
続いて、レジストをマスクとしたドライエッチングにより、２次元フォトニック結晶を有するエッチングマスク１０５を形成する（図１（ｂ））。
ここでのドライエッチングに用いるガスとしては、例えば、ＣＦ4やＣＨＦ3を用いることができる。
その後、エッチングマスク１０５をマスクとしたドライエッチングにより、ｐ型窒化物半導体層１０４に、２次元フォトニック結晶を有する細孔１０６を形成する。
ここで細孔１０６を形成する際に用いるガスとしては、例えば、Ｃｌ2、ＨＣｌ、ＣＣｌ3、ＨＢｒ、ＨＩのいずれかのガスと、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎ2のいずれかのガスとの混合ガスを用いることができる。
続いて、エッチングマスク１０５を、例えばフッ酸に浸すことによって除去する（図１（ｃ））。
エッチングマスク１０５の２次元フォトニック結晶は、正方格子、直交格子、三角格子、斜方格子のいずれかを用いる。格子点形状は円や三角形や四角形などの多角形とする。
Next, the etching process shown in FIGS. 1B and 1C is performed.
An etching mask 105 is formed on the p-type nitride semiconductor layer 104 by plasma CVD, sputtering, or the like.
For example, silicon oxide or silicon nitride is used as the material of the etching mask 105. Thereafter, a photonic crystal pattern made of a resist is produced by electron beam lithography or the like.
Subsequently, an etching mask 105 having a two-dimensional photonic crystal is formed by dry etching using a resist as a mask (FIG. 1B).
As a gas used for the dry etching here, for example, CF 4 or CHF 3 can be used.
Thereafter, pores 106 having a two-dimensional photonic crystal are formed in the p-type nitride semiconductor layer 104 by dry etching using the etching mask 105 as a mask.
Here, as a gas used when forming the pore 106, for example, any of Cl 2 , HCl, CCl 3 , HBr, HI and any of He, Ar, Xe, N 2 are used. A mixed gas can be used.
Subsequently, the etching mask 105 is removed, for example, by immersing in hydrofluoric acid (FIG. 1C).
The two-dimensional photonic crystal of the etching mask 105 uses any one of a square lattice, an orthogonal lattice, a triangular lattice, and an oblique lattice. The lattice point shape is a polygon such as a circle, a triangle or a rectangle.
続いて、図１（ｄ）に示す熱処理工程を行う。
この熱処理工程では、細孔１０６でマストランスポートを生じさせ、細孔１０６の表面に、ｐ型窒化物半導体層１０４を構成する窒化物半導体の結晶面１０７を形成する。
同時に、窒化物半導体を成長させ、細孔１０６をｐ型窒化物半導体層１０４中に埋め込む。
この際、窒化物半導体基板１０１のＣ軸が、窒化物半導体基板１０１の法線１１１および主面１１２から傾いているために、細孔１０６の深さ方向の形状が上下非対称に変化する。
Subsequently, a heat treatment step shown in FIG.
In this heat treatment step, mass transport is generated in the pores 106, and the nitride semiconductor crystal plane 107 constituting the p-type nitride semiconductor layer 104 is formed on the surfaces of the pores 106.
At the same time, a nitride semiconductor is grown and the pores 106 are embedded in the p-type nitride semiconductor layer 104.
At this time, since the C-axis of the nitride semiconductor substrate 101 is inclined from the normal line 111 and the main surface 112 of the nitride semiconductor substrate 101, the shape of the pores 106 in the depth direction changes asymmetrically in the vertical direction.
以下に、上記熱処理工程について、図３〜図８を用いて詳細に説明する。
まず、マストランスポートにおける結晶面１０７形成について説明する。
マストランスポートとは、熱エネルギーによって原子が表面から脱離して輸送された後、表面エネルギーが小さくなる位置で再吸着する現象である。
即ち、マストランスポートによって形成される面１０７は結晶構造によって決定される。窒化物半導体の場合、マストランスポートで形成される面は（０００＿１）面と｛１＿１０１｝面、あるいはより高指数の斜めの面が形成され易い。
中でも、低指数の（０００＿１）面と｛１＿１０１｝面が特に形成され易い。
従って、Ｃ軸と法線１１１とのなす角度θによらず、（０００＿１）面と、｛１＿１０１｝面が細孔１０６の表面に形成されることになる。
Below, the said heat processing process is demonstrated in detail using FIGS.
First, the formation of the crystal plane 107 in the mass transport will be described.
Mass transport is a phenomenon in which atoms are resorbed at a position where the surface energy becomes small after atoms are desorbed and transported from the surface by thermal energy.
That is, the surface 107 formed by the mass transport is determined by the crystal structure. In the case of a nitride semiconductor, the (000_1) plane and the {1_101} plane, or a higher index diagonal plane is easily formed as a plane formed by mass transport.
Among these, the low index (000_1) plane and the {1_101} plane are particularly easily formed.
Therefore, the (000_1) plane and the {1_101} plane are formed on the surface of the pore 106 regardless of the angle θ formed between the C axis and the normal 111.
図３〜図８は、窒化物半導体基板１０１のＣ軸と法線１１１とのなす角度と、熱処理工程後に形成される細孔１０６の形状について示した図面である。
図３〜図５は窒化物半導体基板１０１のＡ軸（［１１＿２０］）がＣ軸と法線１１１とで形成される平面上にあるときを示す図である。
また、図６〜図８は窒化物半導体基板１０１のＭ軸（［１＿１００］）がＣ軸と法線１１１とで形成される平面上にあるときを示す図である。
各図の上半分はＢ−Ｂ´面から矢印の方向を見た時の細孔１０６の平面図、下半分は細孔１０６をＡ−Ａ´面で切断した断面図である。
図５（ｆ）、図８（ｆ）のように、θ＝０、即ちＣ軸が法線１１１と平行な場合、上側にも下側にも結晶面｛１＿１０１｝が形成されるため、深さ方向に上下対称な細孔が形成される。
図３（ａ）や図６（ａ）のようにθ＝９０度、即ちＣ軸が主面１１２と平行な場合、主面１１２内に平行なＣ軸に対して、結晶面｛１＿１０１｝が線対称であるため、深さ方向に上下対称な細孔が形成される。しかし、θ＝０度、９０度以外の場合、法線１１１からも主面１１２からも傾いたＣ軸に対して、結晶面｛１＿１０１｝が線対称となっている。
そのため、図３（ｂ）〜図５（ｅ）、図６（ｂ）〜図８（ｅ）に示すように、深さ方向に上下非対称な孔が形成される。
即ち、Ｃ軸が法線１１１および主面１１２から傾いている窒化物半導体基板１０１を用いることで、熱処理工程にて細孔１０６の深さ方向の形状が上下非対称に変化する。
3 to 8 are views showing the angle formed between the C-axis of the nitride semiconductor substrate 101 and the normal line 111 and the shape of the pore 106 formed after the heat treatment step.
3 to 5 are diagrams showing a state in which the A-axis ([11_20]) of the nitride semiconductor substrate 101 is on a plane formed by the C-axis and the normal 111. FIG.
FIGS. 6 to 8 are diagrams showing a case where the M-axis ([1_100]) of the nitride semiconductor substrate 101 is on a plane formed by the C-axis and the normal line 111.
The upper half of each figure is a plan view of the pore 106 when the direction of the arrow is viewed from the BB ′ plane, and the lower half is a cross-sectional view of the pore 106 cut along the AA ′ plane.
As shown in FIGS. 5 (f) and 8 (f), when θ = 0, that is, when the C axis is parallel to the normal 111, the crystal plane {1_101} is formed on both the upper side and the lower side. Fine pores that are vertically symmetrical in the vertical direction are formed.
As shown in FIGS. 3A and 6A, when θ = 90 degrees, that is, the C axis is parallel to the principal surface 112, the crystal plane {1_101} is relative to the C axis parallel to the principal surface 112. Since it is line symmetric, fine pores that are vertically symmetric in the depth direction are formed. However, in cases other than θ = 0 degrees and 90 degrees, the crystal plane {1_101} is line symmetric with respect to the C axis inclined from both the normal line 111 and the principal surface 112.
Therefore, as shown in FIGS. 3B to 5E and FIGS. 6B to 8E, a vertically asymmetric hole is formed in the depth direction.
That is, by using the nitride semiconductor substrate 101 whose C-axis is inclined from the normal line 111 and the main surface 112, the shape of the pores 106 in the depth direction changes asymmetrically in the vertical direction in the heat treatment step.
Ｃ軸と法線１１１がなす角度θは、Ｃ軸と法線１１１で形成される平面で断面視したときの、｛１＿１０１｝面と（０００＿１）面がなす角度αに近いほど、細孔１０６の上下非対称性が大きくなるため好ましい。
例えば、ＧａＮの場合、Ｃ軸を法線１１１からＡ軸方向に傾けた場合は角度α＝５８度、Ｃ軸を法線１１１からＭ軸方向に傾けた場合は角度α＝６２度である。Ｃ軸を法線１１１からＡ軸とＭ軸の間に傾けた場合は、角度αは５８度と６２度の中間の値を取る。
即ち、角度αは５８度以上、６２度以下である。図４（ｃ）はθ＝５８度（＝角度α）、図７（ｃ）はθ＝６２度（＝角度α）の時の、細孔１０６の形状である。この時、孔の下側の｛１＿１０１｝面は主面１１２に対して平行になる。
一方、孔の上側の｛１＿１０１｝面と（０００１）面は、立面図において左右対称に上に凸となる。従って、角度θが上記した角度αに近いほど、細孔１０６の上下非対称性が大きくなるため好ましい。
The angle θ formed between the C axis and the normal line 111 is closer to the angle α formed between the {1 — 101} plane and the (000 — 1) plane when viewed in a cross-section along the plane formed by the C axis and the normal line 111. This is preferable because the vertical asymmetry is large.
For example, in the case of GaN, the angle α = 58 degrees when the C-axis is tilted from the normal 111 to the A-axis, and the angle α = 62 degrees when the C-axis is tilted from the normal 111 to the M-axis. When the C axis is tilted from the normal 111 between the A axis and the M axis, the angle α takes an intermediate value between 58 degrees and 62 degrees.
That is, the angle α is not less than 58 degrees and not more than 62 degrees. 4C shows the shape of the pore 106 when θ = 58 degrees (= angle α), and FIG. 7C shows the shape of the pore 106 when θ = 62 degrees (= angle α). At this time, the {1 — 101} surface below the hole is parallel to the main surface 112.
On the other hand, the {1 — 101} plane and the (0001) plane on the upper side of the hole are convex upward in the left-right symmetry. Therefore, the closer the angle θ is to the angle α described above, the more preferable the vertical asymmetry of the pores 106 increases.
また、法線１１１はＣ軸からＡ軸方向に傾けた方が、細孔１０６の上下非対称性が大きくなるため、好ましい。
すなわち、Ａ軸がＣ軸と法線１１１とで形成される平面上にある方が好ましい。図９は、法線１１１をＣ軸から傾ける方向をＡ軸からＭ軸に向かって変えた時の、熱処理工程後に形成される細孔１０６の断面図である。
図９よりわかるように、傾ける方向をＭ軸からＡ軸に傾けるにつれて、断面視したときの（０００＿１）面と、｛１＿１０１｝面のなす角度βが小さくなる。
従って、Ｍ軸からＡ軸に傾けるにつれて細孔１０６はより上に凸になり、細孔１０６の上下非対称性が大きくなるため、好ましい。
In addition, it is preferable that the normal 111 is inclined from the C-axis to the A-axis because the vertical asymmetry of the pores 106 is increased.
That is, it is preferable that the A axis is on a plane formed by the C axis and the normal 111. FIG. 9 is a cross-sectional view of the pore 106 formed after the heat treatment step when the direction in which the normal 111 is inclined from the C axis is changed from the A axis to the M axis.
As can be seen from FIG. 9, as the tilting direction is tilted from the M-axis to the A-axis, the angle β formed by the (000_1) plane and the {1_101} plane in a cross-sectional view decreases.
Therefore, the fine pores 106 are more convex as they are inclined from the M axis to the A axis, and the vertical asymmetry of the fine pores 106 is increased, which is preferable.
次に、熱処理工程を行う条件について説明する。
熱処理工程では、ｐ型窒化物半導体層１０４からの窒素の脱離を抑えるために、Ｖ族である窒素の原料雰囲気下中で行う。Ｖ族の供給源は、例えばＮ2やＮＨ3を用いる。
熱処理工程を行う温度は、ｐ型窒化物半導体層１０４を形成する窒化物半導体がマストラ
ンスポートを生じ、結晶面１０７が形成される条件であれば良い。
具体的には、エピタキシャル成長温度まで基板を加熱すれば十分である。
エピタキシャル成長温度とは、半導体結晶を結晶性良く成長するための温度であり、例えばＧａＮでは１０００℃以上、１２００℃以下の範囲である。
エピタキシャル成長温度より高い温度で熱処理を行った場合、表面の原子の一部が蒸発してしまうため、エピタキシャル成長温度以下で熱処理を行った方が良い。
一方、エピタキシャル成長温度より小さい温度でも、原子の拡散がわずかに生じて結晶面１０７が形成されるため、エピタキシャル成長温度より小さい温度で熱処理を行っても良い。例えば，ＧａＮの場合、８００℃でも原子の拡散が生じる。
但し、熱処理の温度がエピタキシャル成長温度である方が、原子の輸送に十分な熱エネルギーが与えられ、結晶面１０７が形成されやすいため好ましい。
Next, conditions for performing the heat treatment step will be described.
In the heat treatment step, in order to suppress the detachment of nitrogen from the p-type nitride semiconductor layer 104, the heat treatment step is performed in a nitrogen source atmosphere of Group V. For example, N 2 or NH 3 is used as the group V supply source.
The temperature at which the heat treatment process is performed may be any conditions as long as the nitride semiconductor forming the p-type nitride semiconductor layer 104 generates mass transport and the crystal plane 107 is formed.
Specifically, it is sufficient to heat the substrate to the epitaxial growth temperature.
The epitaxial growth temperature is a temperature for growing a semiconductor crystal with good crystallinity. For example, in the case of GaN, it is in a range of 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less.
When heat treatment is performed at a temperature higher than the epitaxial growth temperature, some of the atoms on the surface will evaporate, so it is better to perform the heat treatment at or below the epitaxial growth temperature.
On the other hand, even at a temperature lower than the epitaxial growth temperature, slight diffusion of atoms occurs and the crystal plane 107 is formed. Therefore, heat treatment may be performed at a temperature lower than the epitaxial growth temperature. For example, in the case of GaN, atomic diffusion occurs even at 800 ° C.
However, it is preferable that the temperature of the heat treatment is an epitaxial growth temperature because sufficient thermal energy is given to transport atoms and the crystal plane 107 is easily formed.
次に、上記図１（ａ）〜図１（ｄ）の前処理工程に続く工程として、図２（ｅ）〜図２（ｇ）に示す後処理工程を行う。
まず、熱処理工程にて、上下非対称な細孔１０６を形成した後、電極とオーミックコンタクトを取るためのｐ型コンタクト層１０８を、エピタキシャル成長させる（図２（ｅ））。
その後、ｐ型コンタクト層１０８上に、ｐ型電極１０９を電子線蒸着やスパッタ等によって作製する。ｐ型電極１０９の材料は、例えばＮｉ／Ａｕを用いればよい。
更に、ｎ型電極１１０を窒化物半導体基板１０１の下部に、電子線蒸着やスパッタ等によって作製する（図２（ｆ））。ｎ型電極１１０の材料は、例えばＴｉ／Ａｌを用いればよい。
また、図２（ｇ）に示すように、ｎ型電極１１０をｎ型窒化物半導体層１０２の上部に設けても良い。
この場合、ｐ型コンタクト層１０８、ｐ型窒化物半導体層１０４、活性層１０３の一部をパターニングとエッチング等によって除去してから、ｎ型電極１１０を作製すれば良い。このようにして、図１及び図２に示す工程によって、フォトニック結晶面発光レーザ１００が完成する。
Next, as a process subsequent to the pretreatment process of FIGS. 1A to 1D, a post-treatment process shown in FIGS. 2E to 2G is performed.
First, in the heat treatment step, vertically asymmetrical pores 106 are formed, and then a p-type contact layer 108 for making ohmic contact with the electrode is epitaxially grown (FIG. 2 (e)).
Thereafter, a p-type electrode 109 is formed on the p-type contact layer 108 by electron beam evaporation or sputtering. For example, Ni / Au may be used as the material of the p-type electrode 109.
Further, the n-type electrode 110 is formed below the nitride semiconductor substrate 101 by electron beam evaporation, sputtering, or the like (FIG. 2F). For example, Ti / Al may be used as the material of the n-type electrode 110.
In addition, as shown in FIG. 2G, the n-type electrode 110 may be provided on the n-type nitride semiconductor layer 102.
In this case, the p-type contact layer 108, the p-type nitride semiconductor layer 104, and a part of the active layer 103 may be removed by patterning and etching, and then the n-type electrode 110 may be manufactured. In this manner, the photonic crystal surface emitting laser 100 is completed by the steps shown in FIGS.
なお、実施形態１ではｐ型窒化物半導体層１０４中に細孔１０６を設けたが、細孔１０６は別の層に設けても良い。
例えば、ｎ型窒化物半導体層１０２を成長させた後にエッチング工程、熱処理工程を行い、その後に活性層１０３とｐ型窒化物半導体層１０４を成長させることで、細孔１０６をｎ型窒化物半導体層１０２に設けても良い。
同様に、細孔１０６を活性層１０３に設けても良いし、複数の層に細孔１０６がまたがっていても良い。
但し、活性層１０３に細孔１０６を形成した場合、後の熱処理工程でダメージを受けるため、細孔１０６はｐ型半導体層１０３またはｎ型半導体層１０４に設けたほうが良い。
In the first embodiment, the pores 106 are provided in the p-type nitride semiconductor layer 104, but the pores 106 may be provided in another layer.
For example, after the n-type nitride semiconductor layer 102 is grown, an etching process and a heat treatment process are performed, and then the active layer 103 and the p-type nitride semiconductor layer 104 are grown, thereby forming the pores 106 in the n-type nitride semiconductor. The layer 102 may be provided.
Similarly, the pores 106 may be provided in the active layer 103, or the pores 106 may extend over a plurality of layers.
However, when the pores 106 are formed in the active layer 103, the pores 106 are preferably provided in the p-type semiconductor layer 103 or the n-type semiconductor layer 104 because they are damaged in a subsequent heat treatment step.
［実施形態２］
実施形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザ２００の製造方法は、実施形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法に対し、エッチング工程時のエッチングマスクに限定を加えたものである。
図１０は、実施形態１、２における熱処理工程において用いるエッチングマスク１０５、２０５の開口部の形状と、エッチング工程において形成される細孔１０６、２０６の平面視形状を示した図面である。実施形態２で用いるエッチングマスク２０５の開口部は、Ｃ軸を窒化物半導体１１０の主面１１２に射影したＸ１方向に向かって広くなる形状である。
[Embodiment 2]
The manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 200 in the second embodiment is obtained by adding a limitation to the etching mask at the time of the etching process to the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 100 in the first embodiment.
FIG. 10 is a drawing showing the shape of the openings of the etching masks 105 and 205 used in the heat treatment process in the first and second embodiments and the plan view shape of the pores 106 and 206 formed in the etching process. The opening of the etching mask 205 used in the second embodiment has a shape that becomes wider toward the X1 direction in which the C axis is projected onto the main surface 112 of the nitride semiconductor 110.
エッチングマスク２０５を用いた方が、エッチングマスク１０５を用いるよりも、熱処
理工程にて所望の結晶面２０７が得られやすいため好ましい。なぜなら、エッチングマスク２０５の開口部形状の方が、エッチングマスク１０５の開口部形状よりも、熱処理工程にて形成される結晶面（０００＿１）と｛１＿１０１｝の平面視形状に近いからである。図１０（ｃ）のように、エッチングマスク２０５の開口部の少なくとも１辺が、結晶面（０００＿１）面または｛１＿１０１｝面を主面１１２で断面視したときの方向と平行であると、更に所望の結晶面２０７が得やすくなり、好ましい。
The use of the etching mask 205 is preferable to the use of the etching mask 105 because a desired crystal plane 207 can be easily obtained in the heat treatment step. This is because the shape of the opening of the etching mask 205 is closer to the shape of the crystal plane (000_1) and {1_101} formed in the heat treatment step than the shape of the opening of the etching mask 105. When at least one side of the opening of the etching mask 205 is parallel to the direction when the crystal plane (000_1) plane or the {1_101} plane is viewed in cross section along the principal plane 112 as shown in FIG. A desired crystal plane 207 is easily obtained, which is preferable.
［実施形態３］
実施形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザ３００の製造方法は、実施形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法に対し、エッチング工程時のエッチングマスクに実施形態２とは異なる限定を加えたものである。
実施形態３では、熱処理工程にて形成される細孔の平面視形状に注目する。
特開２００４−２９６５３８号公報には、正方格子または直交格子状のフォトニック結晶の格子点形状を１８０度の回転対称性を持たない形状にすることで、射出ビームの形状を偏光の揃った単峰性にできることが開示されている。
このような形状においては、非対称性が大きいほど、偏光の揃った単峰の射出ビームを得るのが容易である。
図５（ｆ）、図８（ｆ）に示すように、Ｃ軸が法線１１１と一致する窒化物半導体基板１０１を用いた場合、熱処理工程後の細孔１０６を平面視した時の形状は、｛１＿１０１｝面を反映して正六角形になる。
即ち、格子点形状が１８０度の回転対称性を有する。一方、Ｃ軸が法線１１１から傾いている場合、細孔１０６を平面視した時の形状が１８０度の回転対称性を有さない多角形となる（図１１）。
この時、図１２に示すように、Ｃ軸の主面１１２への射影方向をフォトニック結晶パターンの単位格子ベクトルの方向とすれば、１８０度の回転対称性を持たない格子点形状が得られる。
[Embodiment 3]
The manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 300 in the third embodiment is different from the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 100 in the first embodiment in that the etching mask used in the etching process is different from the second embodiment. Is.
In the third embodiment, attention is paid to the shape of the pores formed in the heat treatment step in plan view.
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-296538, the lattice point shape of a square lattice or orthogonal lattice-like photonic crystal is made into a shape having no rotational symmetry of 180 degrees, so that the shape of the exit beam is a single unit with uniform polarization. It is disclosed that it can be peaked.
In such a shape, the larger the asymmetry, the easier it is to obtain a unimodal exit beam with uniform polarization.
As shown in FIGS. 5 (f) and 8 (f), when the nitride semiconductor substrate 101 whose C-axis coincides with the normal line 111 is used, the shape of the pore 106 after the heat treatment process when viewed in plan is , {1 — 101} plane to be a regular hexagon.
That is, the lattice point shape has a rotational symmetry of 180 degrees. On the other hand, when the C axis is inclined from the normal line 111, the shape when the pore 106 is viewed in plan is a polygon having no rotational symmetry of 180 degrees (FIG. 11).
At this time, as shown in FIG. 12, if the projection direction of the C-axis onto the principal surface 112 is the direction of the unit lattice vector of the photonic crystal pattern, a lattice point shape having no rotational symmetry of 180 degrees can be obtained. .
以上より、正方格子または直交格子状のフォトニック結晶パターンを有するエッチングマスク３０５を用い、Ｃ軸の主面１１２への射影方向と単位格子ベクトルの方向と一致させた場合、偏光の揃った単峰状の射出ビームが得られるため、好ましい。
具体的には、図１２のように、Ｃ軸の主面１１２への射影であるＸ１方向と基板の法線１１１に垂直なＸ２方向に沿った直線偏光の射出ビームが得られる。なぜなら、格子点形状がＸ１方向に対して線対称であって、Ｘ２方向に沿って線対称でないためである。
射出ビーム制御の観点からは、細孔１０６を平面視したときの形状の非対称性が大きい方が好ましい。
As described above, when the etching mask 305 having a square lattice or orthogonal lattice-like photonic crystal pattern is used and the projection direction of the C-axis to the principal surface 112 and the direction of the unit lattice vector coincide with each other, a single peak with uniform polarization is obtained. This is preferable because a shaped emission beam is obtained.
Specifically, as shown in FIG. 12, an exit beam of linearly polarized light is obtained along the X1 direction which is a projection of the C-axis main surface 112 and the X2 direction perpendicular to the normal 111 of the substrate. This is because the lattice point shape is line symmetric with respect to the X1 direction and is not line symmetric along the X2 direction.
From the viewpoint of emission beam control, it is preferable that the shape 106 has a large asymmetry when the pore 106 is viewed in plan.
図３〜図８からわかるように、法線１１１とＣ軸がなす角度θが大きい方が好ましい。特に、Ｃ軸と法線１１１のなす角度θが、角度αの半分よりも大きく傾けた方が好ましい。
図４（ｄ）、図７（ｄ）に、角度θと角度αの半分が一致するときの細孔１０６の形状を示した。
図よりわかるように、角度θが角度αの半分より小さければ、細孔１０６の平面視形状の輪郭が回転対称性を有する六角形となる。
一方、角度θが角度αの半分より大きければ、細孔１０６の平面視形状の輪郭も、１８０度の回転対称性を有さない多角形となる。従って、角度θが角度αの半分より大きい方が、孔の非対称性が大きく、好ましい。
As can be seen from FIGS. 3 to 8, it is preferable that the angle θ formed by the normal 111 and the C axis is larger. In particular, it is preferable that the angle θ formed by the C axis and the normal 111 is inclined more than half of the angle α.
FIG. 4D and FIG. 7D show the shape of the pore 106 when the angle θ and half of the angle α coincide.
As can be seen from the figure, when the angle θ is smaller than half of the angle α, the outline of the pore 106 in a plan view is a hexagon having rotational symmetry.
On the other hand, if the angle θ is larger than half of the angle α, the outline of the pore 106 in a plan view shape is also a polygon having no rotational symmetry of 180 degrees. Therefore, it is preferable that the angle θ is larger than half of the angle α because the asymmetry of the hole is large.
［実施形態４］
実施形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザ４００の製造方法は、実施形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザ３００の製造方法に対し、活性層に限定を加えたも
のである。
実施形態４では、Ｃ軸が傾いた基板の法線から傾いた窒化物半導体基板を用いた場合、エピタキシャル成長される活性層の利得が、結晶構造の異方性を反映して面内で偏光の異方性を有することに注目する。
窒化物半導体基板の結晶構造はＣ軸に対して回転対称な六方晶であるため、Ｃ軸と基板の法線が一致した窒化物半導体基板を用いた場合、結晶構造は面内で異方性を有さない。
一方、Ｃ軸が基板の法線１１１から傾いている場合、Ｃ軸を基板の主面１１２に射影したＸ１方向と、Ｘ１方向と基板の法線１１１とにともに垂直なＸ２方向とでは、結晶構造が異なる。
従って、Ｃ軸が基板の法線１１１から傾いた基板上に成長された活性層４０３は、結晶構造の異方性を反映して、Ｘ１方向の偏光とＸ２方向の偏光間で物性利得の大きさが異なる。
[Embodiment 4]
The manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 400 in the fourth embodiment is a method in which the active layer is limited to the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 300 in the third embodiment.
In the fourth embodiment, when a nitride semiconductor substrate tilted from the normal of the substrate with the C-axis tilted is used, the gain of the active layer that is epitaxially grown reflects the anisotropy of the crystal structure and is polarized in the plane. Note the anisotropy.
Since the crystal structure of the nitride semiconductor substrate is a hexagonal crystal that is rotationally symmetric with respect to the C-axis, when a nitride semiconductor substrate in which the C-axis and the substrate normal coincide is used, the crystal structure is anisotropic in the plane. Does not have.
On the other hand, when the C-axis is inclined from the normal 111 of the substrate, the X1 direction in which the C-axis is projected onto the main surface 112 of the substrate and the X2 direction perpendicular to both the X1 direction and the normal 111 of the substrate The structure is different.
Therefore, the active layer 403 grown on the substrate whose C axis is inclined from the normal 111 of the substrate reflects the anisotropy of the crystal structure, and has a large physical gain between the polarized light in the X1 direction and the polarized light in the X2 direction. Is different.
一方、実施形態３で述べたように、エッチングマスク３０５を用い、Ｃ軸の主面１１２への射影方向と単位格子ベクトルの方向と一致させた場合、Ｘ２方向偏光の単峰状の射出ビームが得られる。即ち、フォトニック結晶面発光レーザ３００、４００のフォトニック結晶ではＸ２偏光のモードが支配的である。
そこで、フォトニック結晶面発光レーザ４００では、活性層４０３の物性利得の支配的な偏光方向を、Ｃ軸の主面１１２への射影であるＸ１方向と基板の法線１１１に垂直なＸ２方向に一致させる。
その結果、活性層４０３から得られる誘導放出光の支配的な偏光方向と、フォトニック結晶で支配的なモードの偏光方向が一致し、フォトニック結晶面発光レーザ４００の閾値が下がるため、好ましい。
例えば、活性層４０３をＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ５ｎｍ／ＧａＮ１０ｎｍの量子井戸を用い、Ｃ軸と窒化物半導体基板の法線１１１のなす角度θを８５度とした場合、フォトニック結晶の支配的な偏光モードと、量子井戸の持つ物性利得の支配的な偏光方向が一致する。
On the other hand, as described in the third embodiment, when the etching mask 305 is used and the projection direction of the C axis on the principal surface 112 and the direction of the unit cell vector coincide with each other, a single-peak emission beam of X2 direction polarization is obtained. can get. That is, the X2 polarization mode is dominant in the photonic crystals of the photonic crystal surface emitting lasers 300 and 400.
Therefore, in the photonic crystal surface emitting laser 400, the dominant polarization direction of the physical property gain of the active layer 403 is set in the X1 direction, which is the projection of the C axis on the principal surface 112, and in the X2 direction perpendicular to the normal 111 of the substrate. Match.
As a result, the dominant polarization direction of the stimulated emission light obtained from the active layer 403 matches the polarization direction of the mode dominant in the photonic crystal, which is preferable because the threshold of the photonic crystal surface emitting laser 400 is lowered.
For example, when the active layer 403 is a quantum well of In 0.3 Ga 0.7 N 5 nm / GaN 10 nm and the angle θ formed between the C axis and the normal 111 of the nitride semiconductor substrate is 85 degrees, the dominant polarization mode of the photonic crystal And the dominant polarization direction of the physical property gain of the quantum well coincide.
一般に、窒化物半導体を用いた半導体レーザでは、発光波長が長波長であるほど、活性層の物性利得が低下することが知られている。
この原因の一つとして、基板を構成する窒化物半導体の格子定数と、活性層を構成する窒化物半導体基板の格子定数の相違に起因した歪によって生じる内部電界が挙げられる。
発光波長が長い半導体レーザほど、内部電界による物性利得の低下が大きい。
この内部電界による物性利得の低下を防止するために、特に緑帯域の発光波長（５００〜５３０ｎｍ）の半導体レーザでは、Ｃ軸が傾いた基板を用いる手法が知られている。
Ｃ軸が傾いた基板を用いる事で、格子定数の相違を緩和し、内部電界を低減して、物性利得の低下を防ぐ手法である。
以上より、特に本発明を発光波長が緑帯域である活性層をもつフォトニック結晶面発光レーザに適用すれば、内部電界の低減も同時に実現できるため好ましい。
In general, in a semiconductor laser using a nitride semiconductor, it is known that the longer the emission wavelength, the lower the physical property gain of the active layer.
One cause of this is an internal electric field generated by strain due to a difference between the lattice constant of the nitride semiconductor constituting the substrate and the lattice constant of the nitride semiconductor substrate constituting the active layer.
The longer the emission wavelength, the greater the decrease in physical property gain due to the internal electric field.
In order to prevent a decrease in physical property gain due to the internal electric field, a technique using a substrate with a tilted C axis is known, particularly in a semiconductor laser having an emission wavelength in the green band (500 to 530 nm).
By using a substrate whose C-axis is inclined, the difference in lattice constant is alleviated, the internal electric field is reduced, and a decrease in physical gain is prevented.
From the above, it is particularly preferable to apply the present invention to a photonic crystal surface emitting laser having an active layer whose emission wavelength is in the green band because the internal electric field can be reduced at the same time.
本発明の実施例として、実施形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法を適用した構成例について説明する。
他の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を適用した例については、上記実施形態１のフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法との差分について説明する。
まず、基板の法線１１１がＣ軸からＡ軸方向に５８度傾いたＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体を図１３に示す層構成になるように、ｐ−ＧａＮ層１０４まで順次積層する。ドーパントはドナーとしてＳｉ、アクセプタとしてＭｇを用いる。
次に、ＣＶＤによってＳｉＯ2からなる膜を１５０ｎｍ成膜する。次に、電子線リソグラフィによってレジストにフォトニック結晶パターンを作製する。
フォトニック結晶は、直径６４ｎｍの円孔を周期１６０ｎｍで周期的に並べた正方格子からなる。続いてレジストをマスクとし、ＣＦ4ガスを用いてＳｉＯ2をドライエッチングする。
その後、残ったＳｉＯ2をマスクとし、Ｃｌ2ガスを用いてＧａＮ、Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎをエッチングし２５０ｎｍの孔を形成する。最後にフッ酸でＳｉＯ2を除去する。このようにして、２次元フォトニック結晶状に配列された細孔が形成される。
As an example of the present invention, a configuration example to which the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 100 according to the first embodiment is applied will be described.
The difference between the photonic crystal surface emitting laser 100 and the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 100 according to the first embodiment will be described as an example to which the photonic crystal surface emitting laser manufacturing method according to another embodiment is applied.
First, a p-GaN layer 104 is formed on a GaN substrate whose normal 111 of the substrate is inclined 58 degrees in the A-axis direction from the C-axis by using the MOCVD method so that the nitride semiconductor has the layer configuration shown in FIG. Laminate sequentially. The dopant uses Si as a donor and Mg as an acceptor.
Next, a 150 nm film made of SiO 2 is formed by CVD. Next, a photonic crystal pattern is formed on the resist by electron beam lithography.
The photonic crystal is composed of a square lattice in which circular holes having a diameter of 64 nm are periodically arranged with a period of 160 nm. Subsequently, using the resist as a mask, the SiO 2 is dry etched using CF 4 gas.
Thereafter, using the remaining SiO 2 as a mask, GaN and Al 0.08 Ga 0.92 N are etched using Cl 2 gas to form a 250 nm hole. Finally, SiO 2 is removed with hydrofluoric acid. In this manner, pores arranged in a two-dimensional photonic crystal are formed.
次に、ＮＨ3ガス雰囲気中で、基板を１１００℃まで加熱する。
この時、ガスの流量は、Ｎ2ガスを５ｓｌｍ、ＮＨ3ガスを１０ｓｌｍとした。基板温度が１１００℃に到達したら温度を１１００℃に保ち１０分間熱処理する。エピタキシャル成長温度で熱処理を行うことで、結晶面（０００＿１）と｛１＿１０１｝が形成され、上下非対称な細孔が形成される。
その後、ＭＯＣＶＤ法を用いてＭｇドープ濃度１×１０20ｃｍ-3のＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０８を５０ｎｍ成長させる。
そして、ｐ側にＮｉ１０ｎｍ／Ａｕ４０ｎｍからなるｐ型電極１０８、ｎ側にＴｉ２０ｎｍ／Ａｌ１００ｎｍからなるｎ型電極１０９を蒸着することで、フォトニック結晶面発光レーザ１００が完成する。
つぎに、上記実施形態１以外の他の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を適用した例について説明する。
実施形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザ２００の製造方法を適用した例では、レジストに作製するフォトニック結晶パターンを、図１０（ｃ）に示すような五角形を周期１６０ｎｍで周期的に並べたパターンに変更する。
フォトニック結晶パターンの格子点形状が、結晶面（０００＿１）面および｛１＿１０１｝面を主面１１２で断面視した形状となっているため、熱処理工程において所望の結晶面が得られ易い。
また、実施形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザ３００の製造方法を適用した例では、レジストからなるフォトニック結晶パターンに限定を加える。
具体的には、直径６４ｎｍの円孔を周期１６０ｎｍで周期的に並べた正方格子を、片方の単位格子ベクトルがＣ軸を主面１１２に射影した方向と平行になるようにする（図１２）。
熱処理工程後、フォトニック結晶パターンの格子点形状が、１８０度の回転対称性を持たない形状となり、偏光のそろった単峰性の射出ビームを得るフォトニック結晶面発光レーザを製造することが可能となる。
また、実施形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザ４００の製造方法を適用した例では、フォトニック結晶面発光レーザ３００の製造方法に対し、ＭＯＣＶＤ法で成長する量子井戸と、窒化物半導体基板に限定を加える。
具体的には、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ５ｎｍ／ＧａＮ１０ｎｍの量子井戸を用い、Ｃ軸と窒化物半導体基板の法線１１１のなす角度を８５度とする。
フォトニック結晶の支配的な偏光モードと、量子井戸の持つ物性利得の支配的な偏光方向が一致するため、閾値の小さいフォトニック結晶面発光レーザを製造することが可能となる。
Next, the substrate is heated to 1100 ° C. in an NH 3 gas atmosphere.
At this time, the gas flow rates were 5 slm for N 2 gas and 10 slm for NH 3 gas. When the substrate temperature reaches 1100 ° C., the temperature is kept at 1100 ° C. and heat treatment is performed for 10 minutes. By performing the heat treatment at the epitaxial growth temperature, crystal plane (000_1) and {1_101} are formed, and vertically asymmetric pores are formed.
Thereafter, a p-type contact layer 108 made of GaN with an Mg doping concentration of 1 × 10 20 cm −3 is grown by 50 nm using MOCVD.
Then, the p-type electrode 108 made of Ni 10 nm / Au 40 nm is deposited on the p side, and the n-type electrode 109 made of Ti 20 nm / Al 100 nm is deposited on the n side, whereby the photonic crystal surface emitting laser 100 is completed.
Next, an example in which the method for manufacturing a photonic crystal surface emitting laser in another embodiment other than the first embodiment is applied will be described.
In an example in which the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 200 in the second embodiment is applied, a photonic crystal pattern to be formed on a resist is a pattern in which pentagons as shown in FIG. Change to
Since the lattice point shape of the photonic crystal pattern is a shape obtained by cross-sectional view of the crystal plane (000_1) plane and the {1_101} plane by the main surface 112, a desired crystal plane is easily obtained in the heat treatment step.
Further, in the example in which the method for manufacturing the photonic crystal surface emitting laser 300 according to the third embodiment is applied, the photonic crystal pattern made of resist is limited.
Specifically, a square lattice in which circular holes with a diameter of 64 nm are periodically arranged with a period of 160 nm is set so that one unit lattice vector is parallel to the direction in which the C axis is projected onto the principal surface 112 (FIG. 12). .
After the heat treatment process, the lattice point shape of the photonic crystal pattern becomes a shape that does not have rotational symmetry of 180 degrees, and it is possible to manufacture a photonic crystal surface emitting laser that obtains a single-polarized exit beam with uniform polarization It becomes.
Further, in the example in which the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 400 in the fourth embodiment is applied, the quantum well grown by the MOCVD method and the nitride semiconductor substrate are limited to the manufacturing method of the photonic crystal surface emitting laser 300. Add
Specifically, a quantum well of In 0.3 Ga 0.7 N 5 nm / GaN 10 nm is used, and the angle formed between the C axis and the normal 111 of the nitride semiconductor substrate is set to 85 degrees.
Since the dominant polarization mode of the photonic crystal coincides with the dominant polarization direction of the physical property gain of the quantum well, a photonic crystal surface emitting laser with a small threshold can be manufactured.
１００：フォトニック結晶面発光レーザ
１０１：窒化物半導体基板
１０２：ｎ型窒化物半導体層
１０３：活性層
１０４：ｐ型窒化物半導体層
１０５：エッチングマスク
１０６：細孔
１０７：結晶面
１０８：ｐ型コンタクト層
１０９：ｐ型電極
１１０：ｎ型電極
１１１：窒化物半導体基板の法線
１１２：窒化物半導体基板の主面
100: photonic crystal surface emitting laser 101: nitride semiconductor substrate 102: n-type nitride semiconductor layer 103: active layer 104: p-type nitride semiconductor layer 105: etching mask 106: pore 107: crystal plane 108: p-type Contact layer 109: p-type electrode 110: n-type electrode 111: normal line of nitride semiconductor substrate 112: main surface of nitride semiconductor substrate
Claims (12)
前記窒化物半導体基板として、該窒化物半導体基板のＣ軸が該窒化物半導体基板の法線と該窒化物半導体基板の主面との双方から傾いた構造を有する窒化物半導体基板を用い、
前記窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体層を成長させる成長工程と、
前記窒化物半導体層に、エッチングマスクを用いて前記２次元フォトニック結晶を形成するための細孔をエッチングにより形成するエッチング工程と、
前記細孔が形成された窒化物半導体層を、窒素を含む原料雰囲気下で該窒化物半導体層を構成する原子を輸送させる熱処理を行い、該熱処理によって該細孔の深さ方向の形状を上下非対称に変化させる熱処理工程と、
を有することを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 A method of manufacturing a photonic crystal surface emitting laser having a two-dimensional photonic crystal on a nitride semiconductor substrate,
As the nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor substrate having a structure in which the C-axis of the nitride semiconductor substrate is tilted from both the normal line of the nitride semiconductor substrate and the main surface of the nitride semiconductor substrate,
A growth step of growing a nitride semiconductor layer including an active layer on the nitride semiconductor substrate;
An etching step for forming, by etching, pores for forming the two-dimensional photonic crystal in the nitride semiconductor layer using an etching mask;
The nitride semiconductor layer in which the pores are formed is subjected to a heat treatment for transporting atoms constituting the nitride semiconductor layer in a raw material atmosphere containing nitrogen, and the shape in the depth direction of the pores is vertically changed by the heat treatment. A heat treatment process that changes asymmetrically;
A method for producing a photonic crystal surface emitting laser, comprising:
前記窒化物半導体基板のＣ軸を前記窒化物半導体の主面に射影した方向に向かって広くなる形状を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 In the etching step, the opening of the etching mask is
7. The photonic crystal plane according to claim 1, wherein the photonic crystal plane has a shape that widens in a direction in which a C-axis of the nitride semiconductor substrate is projected onto a main surface of the nitride semiconductor. Manufacturing method of light emitting laser.
前記窒化物半導体層の（０００＿１）面または｛１＿１０１｝面を前記主面で断面視したときの方向と平行であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 In the etching step, at least one side of the opening of the etching mask is
8. The photonic according to claim 1, wherein the (000_1) plane or the {1_101} plane of the nitride semiconductor layer is parallel to a direction when the principal plane is viewed in cross section. Manufacturing method of crystal surface emitting laser.
前記２次元フォトニック結晶の単位格子ベクトルが、前記Ｃ軸を前記主面に射影した方向と平行であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 The two-dimensional photonic crystal is a square lattice or an orthogonal lattice,
9. The photonic crystal surface light emission according to claim 1, wherein a unit cell vector of the two-dimensional photonic crystal is parallel to a direction in which the C-axis is projected onto the main surface. Laser manufacturing method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011232983A JP2013093367A (en) | 2011-10-24 | 2011-10-24 | Manufacturing method of photonic crystal surface emission laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011232983A JP2013093367A (en) | 2011-10-24 | 2011-10-24 | Manufacturing method of photonic crystal surface emission laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013093367A true JP2013093367A (en) | 2013-05-16 |
Family
ID=48616295
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011232983A Pending JP2013093367A (en) | 2011-10-24 | 2011-10-24 | Manufacturing method of photonic crystal surface emission laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2013093367A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018155710A1 (en) * | 2017-02-27 | 2018-08-30 | 国立大学法人京都大学 | Surface-emitting laser and method for manufacturing surface-emitting laser |
| CN114481135A (en) * | 2021-12-24 | 2022-05-13 | 昆山杜克大学 | Preparation method of two-dimensional photonic crystal suitable for thermal-photovoltaic system |
-
2011
- 2011-10-24 JP JP2011232983A patent/JP2013093367A/en active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018155710A1 (en) * | 2017-02-27 | 2018-08-30 | 国立大学法人京都大学 | Surface-emitting laser and method for manufacturing surface-emitting laser |
| CN110337764A (en) * | 2017-02-27 | 2019-10-15 | 国立大学法人京都大学 | The method of surface emitting laser and manufacture surface emitting laser |
| JPWO2018155710A1 (en) * | 2017-02-27 | 2020-03-19 | 国立大学法人京都大学 | Surface emitting laser and method of manufacturing surface emitting laser |
| CN110337764B (en) * | 2017-02-27 | 2021-06-11 | 国立大学法人京都大学 | Surface emitting laser and method of manufacturing surface emitting laser |
| US11283243B2 (en) | 2017-02-27 | 2022-03-22 | Kyoto University | Surface-emitting laser and method for manufacturing surface-emitting laser |
| JP2022105740A (en) * | 2017-02-27 | 2022-07-14 | 国立大学法人京都大学 | Surface-emitting laser and method of manufacturing the same |
| JP7101370B2 (en) | 2017-02-27 | 2022-07-15 | 国立大学法人京都大学 | Manufacturing method of surface emitting laser and surface emitting laser |
| JP7442151B2 (en) | 2017-02-27 | 2024-03-04 | 国立大学法人京都大学 | Surface emitting laser and method for manufacturing surface emitting laser |
| CN114481135A (en) * | 2021-12-24 | 2022-05-13 | 昆山杜克大学 | Preparation method of two-dimensional photonic crystal suitable for thermal-photovoltaic system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101911322B (en) | GaN semiconductor optical element, method for manufacturing GaN semiconductor optical element, epitaxial wafer and method for growing GaN semiconductor film | |
| JP4647020B2 (en) | Method for manufacturing microstructure of nitride semiconductor | |
| JP4891579B2 (en) | Method for manufacturing element having photonic crystal structure | |
| JP3153153B2 (en) | Gallium nitride based semiconductor laser and method of manufacturing the same | |
| JP2006156958A (en) | Semiconductor element and its manufacture | |
| US8885683B2 (en) | Process for forming microstructure of nitride semiconductor, surface emitting laser using two-dimensional photonic crystal and production process thereof | |
| US6469320B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
| WO2011087127A1 (en) | Gan semiconductor light emitting element and method for manufacturing same | |
| CN102318152A (en) | Iii nitride semiconductor laser and method for manufacturing iii nitride semiconductor laser | |
| US20210184431A1 (en) | Surface-emitting laser device and method for manufacturing surface-emitting laser device | |
| JP2007266574A (en) | Semiconductor laser element, and manufacturing method of semiconductor laser element | |
| JP2013135001A (en) | Manufacturing method for microstructure | |
| JP3982985B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor laser device | |
| JP2007281140A (en) | Compound semiconductor substrate, manufacturing method thereof, and semiconductor device | |
| JP2010272593A (en) | Nitride semiconductor light emitting element and manufacturing method of the same | |
| CN102474075B (en) | Group-III nitride semiconductor element, epitaxial substrate, and method for fabricating a group-III nitride semiconductor element | |
| JP2013093367A (en) | Manufacturing method of photonic crystal surface emission laser | |
| JP4772314B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
| JP5643553B2 (en) | Nitride semiconductor microstructure manufacturing method, surface emitting laser and manufacturing method thereof | |
| JP5858659B2 (en) | Photonic crystal surface emitting laser and manufacturing method thereof | |
| JP2009059740A (en) | Group iii nitride semiconductor element and manufacturing method thereof | |
| WO2013015170A1 (en) | Iii nitride semiconductor laser element | |
| JP2007201379A (en) | Compound semiconductor substrate, its manufacturing method, and semiconductor device | |
| JP2009016562A (en) | Semiconductor quantum dot element, method of forming semiconductor quantum dot element, and semiconductor laser using semiconductor quantum dot element | |
| JP2004221428A (en) | Optical semiconductor device and its manufacturing method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20131212 |