JP7442151B2 - 面発光レーザ及び面発光レーザの製造方法 - Google Patents

面発光レーザ及び面発光レーザの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、面発光レーザ及び面発光レーザの製造方法に関する。
近年、フォトニック結晶を用いた面発光レーザの開発が進められており、例えば、特許文献１には、融着貼り付けを行なわずに製造することを目的とした半導体レーザ素子について開示されている。
また、特許文献２には、フォトニック結晶の微細構造をＧａＮ系半導体に作製する製造法が開示されている。非特許文献１には、減圧成長により横方向成長の速度を高め、フォトニック結晶を作製することが開示されている。
特許第５０８２４４７号公報 特許第４８１８４６４号公報
H. Miyake et al. : Jpn. J. Appl. Phys. Vol.38(1999) pp.L1000-L1002
フォトニック結晶を備えた面発光レーザにおいて、高い共振効果を得るためには、フォトニック結晶層における回折効果を高めることが求められる。すなわち、回折効果を高めるためには、フォトニック結晶における２次元的な屈折率周期が均一であること、フォトニック結晶における異屈折率領域の母材に対する占める割合（フィリングファクタ）が大きいこと、フォトニック結晶中に分布する光強度（光フィールド）の割合（光閉じ込め係数）が大きいこと、などが求められる。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、均一な屈折率周期を有し、高い回折効果を有するフォトニック結晶を備えた面発光レーザ及びその製造方法を提供することを目的としている。また、フィリングファクタが大きく、また大きな光閉じ込め係数を有するフォトニック結晶を備えた面発光レーザ及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明の１実施態様によるによる製造方法は、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２次元的な周期性を有する空孔を形成する工程と、
（ｄ）III族原料及び窒素源を含むガスを供給して、前記空孔の開口上部に所定の面方位の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、前記空孔の開口部を塞ぐ工程と、
（ｅ）前記空孔の前記開口部を塞いだ後、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、
前記工程（ｅ）の実行後における前記空孔の側面のうち少なくとも１つが｛１０－１０｝ファセットであることを特徴としている。
また、本発明の１実施態様によるによる面発光レーザは、III族窒化物半導体からなる面発光レーザであって、
基板上に形成された第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内部に有する前記第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、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第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２導電型の第２のクラッド層と、を有し、
前記空孔の側面のうち少なくとも１つが｛１０－１０｝ファセットであることを特徴としている。
フィリングファクタ（ＦＦ）とフォトニック結晶部の出射方向への放射係数の関係を示す図である。 実施例１に係るフォトニック結晶面発光レーザの構造を模式的に示す断面図である。 空孔ＣＨの形成工程を模式的に示す断面図である。 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ＳＥＭ像を示している。 図４の（a1),(a4),(b)に対応するガイド層基板の断面を模式的に説明する断面図である。 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１４Ｃを模式的に示す断面図である。 比較例１における、成長前及び熱処理後の空孔ＣＨの表面（上段）及び断面（下段）を示すＳＥＭ像である。 比較例２における、成長前及び熱処理後の空孔ＣＨの表面（上段）及び断面（下段）を示すＳＥＭ像である。 実施例２のフォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層１４Ｐの形成工程について示す図である。 実施例２の空孔１４Ｃの成長面内における形状の変化を模式的に説明する図である。
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［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。
すなわち、フォトニック結晶面発光レーザにおいて回折効果を高めるためには、
（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。
上記（１）を満たすためには、フォトニック結晶レーザの発振波長に合わせて格子定数を適切に設定する必要がある。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、１６２ｎｍ程度とするとよい。
上記（２）に関しては、例えば周期が１６１ｎｍ、活性層とフォトニック結晶部の距離が８０ｎｍの場合の正方格子２次元フォトニック結晶の、フィリングファクタ（ＦＦ）とフォトニック結晶部の出射方向への放射係数の関係を図１に示す。
フォトニック結晶部の放射係数とは、フォトニック結晶中に導波モードとして存在する光のうち、単位長さを導波する間に回折によってフォトニック結晶面と垂直方向（出射方向）に放射される光の割合である。フォトニック結晶部では、レーザ発振のためには損失は小さい方が望ましいが、ＦＦが５％よりも小さくなるような場合には放射係数はおよそ０となり、光を外に取り出すことが困難になる。すなわちフォトニック結晶面発光レーザとして機能するためには、フィリングファクタ（ＦＦ）は５％以上であることが望まれる。
また、上記（３）を満たすためには、フォトニック結晶部と活性層との距離、具体的には、フォトニック結晶部の活性層側の上面とＭＱＷ活性層のフォトニック結晶部側の１つ目のバリア層の下面との距離が小さい必要がある。フォトニック結晶部の厚さを増やすことでΓPCを高めることができるが、一般的にレーザの光強度分布は、活性層の光閉じ込め係数ΓMQWを大きくするため活性層付近を中心として急峻な強度分布となる。したがってフォトニック結晶部の厚さを増やしてもΓPC（フォトニック結晶部の光閉じ込め係数）を向上させるのには限界がある。また、フォトニック結晶部の厚さを増やすと、ガイド層の屈折率が低下するため、ΓMQWが小さくなり好ましくない。したがって、十分なΓPCを得るためには上記の距離を短くしフォトニック結晶部と活性層とを近づけることが望まれる。
これらのことに鑑みると、従来技術には以下のような問題がある。例えば、上記の特許文献１のような技術においては、III族原子を供給せず窒素源を含むガス雰囲気中において熱処理し、その後、当該工程よりも高い温度で熱処理を行い細孔が塞がれる。しかしながら、この方法により空孔を埋め込むと、最初の加熱工程にて孔が狭まり、十分なＦＦを得ることができない。また、たとえ当該最初の加熱工程を抜いたとしても、昇温中に空孔が狭まり十分なＦＦの状態で空孔を埋め込むことができない。
また、例えば、上記の特許文献２のような技術においては、減圧雰囲気においてIII族原子および窒素源を供給し、III族窒化物の横方向への成長を促進しながら成長することにより細孔が塞がれる。しかしながら、この方法により空孔を埋め込むと、比較的空孔の径を維持したまま空孔を埋め込むことができる。しかし、非特許文献１を参照すると、減圧により横方向成長の速度を高めたとしても縦方向の成長速度に対して0.7倍程度の成長速度までしか向上させることができない。すなわち、埋め込む空孔の径を維持できたとしても、フォトニック結晶部と活性層との距離が離れ十分に大きなΓpcを得ることができない。
また、ＳｉＯ2やＭｇＦなどの低屈折率材料を空孔の底に敷き、これらをマスクとして空孔を埋め込む手法についても記載されているが、この場合、埋め込まれる空孔の形状はドライエッチングなどで加工した形状がそのまま残ることとなる。ドライエッチングなどにより空孔を作成する場合、ガイド層の面内方向に対して完全に垂直にエッチングすることが難しく、孔ごとに深さ方向で径のバラつきが生じる。すなわち、単一周期の構造を得ることが難しくなる。
図２は、実施例１の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面発光レーザという場合がある。）１０の構造を模式的に示す断面図である。図２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、ｎ－クラッド層１２上（裏面）にはｎ電極１９Ａが形成され、ｐ－クラッド層１８上（上面）にはｐ電極１９Ｂが形成されている。
面発光レーザ１０からの光は、活性層１５に垂直な方向に半導体構造層１１の上面（すなわち、ｐ－クラッド層１８の表面）から外部に取り出される。
［クラッド層及びガイド層の成長］
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。
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。基板１２上に、ｎ－クラッド層１３としてＡｌ（アルミニウム）組成が４％のｎ型ＡｌＧａＮ（層厚：２μｍ）を成長した。III族のＭＯ（有機金属）材料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｖ族材料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ドーピング材料としてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を供給した。室温でのキャリア密度は、およそ５×１０18ｃｍ-3であった。
続いて、ＴＭＧ及びＮＨ3を供給し、ｎ－ガイド層１４としてｎ型ＧａＮ（層厚：３００ｎｍ）を成長した。また、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を成長と同時に供給しドーピングを行った。キャリア密度は、およそ５×１０18ｃｍ-3であった。
［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）を形成した。図３及び図４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４は、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４の上段にはガイド層基板の表面ＳＥＭ像が示され、下段に表面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。
基板１２上にｎ－クラッド層１３及びｎ－ガイド層１４を成長したガイド層基板の洗浄を行い清浄表面を得た（図３、(i)）。その後、プラズマＣＶＤによってシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）ＳＮを成膜（膜厚１２０ｎｍ）した（図３、(ii)）。
次に、ＳｉＮｘ膜ＳＮ上に電子線（ＥＢ：Electron Beam）描画用レジストＲＺをスピンコートで３００ｎｍ程度の厚さで塗布し、電子線描画装置に入れてガイド層基板の表面上において２次元周期構造を有するパターンを形成した（図３、(iii)）。より具体的には、直径（φ）が１００ｎｍ の円形状のドットを周期ＰＣ＝１８６ｎｍで正三角格子状にレジストＲＺの面内で２次元配列したパターニングを行った。
パターニングしたレジストＲＺを現像後、ＩＣＰ－ＲＩＥ（Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）装置によってＳｉＮｘ膜ＳＮを選択的にドライエッチングした（図３、(iv)）。これにより、面内周期ＰＣが１８６ｎｍで正三角格子状に２次元配列された直径（φ）が約１００ｎｍの貫通孔がＳｉＮｘ膜ＳＮに形成された。
続いて、レジストＲＺを除去し、パターニングしたＳｉＮｘ膜ＳＮをハードマスクとしてｎ－ガイド層１４（ＧａＮ）の表面から内部に至る空孔ＣＨを形成した。より具体的には、ＩＣＰ－ＲＩＥ装置において塩素系ガスを用いてドライエッチングすることにより、ｎ－ガイド層１４に２次元配列された空孔ＣＨを形成した（図３、(v)）。
このときのｎ－ガイド層１４に形成された空孔ＣＨの表面ＳＥＭ像（上段）及び断面ＳＥＭ像（下段）を図４に示す（図４、(a1)）。表面ＳＥＭ像に示すように、正三角格子状（すなわち、正六角形の頂点及び中心）に２次元的に、空孔間の間隔（周期）ＰＣが１８６ｎｍで配列された複数の空孔ＣＨが形成された。また、断面ＳＥＭ像に示すように、ｎ－ガイド層１４に形成された空孔ＣＨの深さは約２５０ｎｍ、空孔ＣＨの直径は約１００ｎｍであった。すなわち、空孔ＣＨは上面で開口する穴（ホール）であり、底部を除いて略円柱形状を有している。
［空孔の閉塞］
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)）、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。
ＭＯＶＰＥ装置内において、ガイド層基板を１１００℃（成長温度）に加熱し、III族材料ガス（ＴＭＧ）及びＶ族材料ガス（ＮＨ3）を供給することで｛１０－１１｝ファセット（所定の面方位のファセット）を有する凹部を形成するように成長を行って、空孔ＣＨの開口部を閉じた。なお、当該成長温度は、９００～１１５０℃の範囲内の温度であることが好ましい。
このときの空孔ＣＨの形状の成長時間に対する変化を図４（図中、（a2)－(a4)）に示す。また、図５は、図４の（a1),(a4),(b)に対応するガイド層基板の断面を模式的に説明する断面図である。
図４に示すように、成長時間の経過（１min、３min、５min）とともに｛１０－１１｝ファセットが優先的に成長する。成長開始から５min後に、互いに対向する面から成長する｛１０－１１｝ファセットが互いにぶつかることで空孔ＣＨが閉塞されている（図４、(a4)）。また、埋め込まれた空孔ＣＨの活性層１５側の面（上面）には（０００－１）面が、空孔ＣＨの側面には｛１０－１０｝面が現れ、基板１２側の底部は｛１－１０２｝ファセットが現れる。
このとき、埋め込まれた空孔ＣＨの上面である（０００－１）面とｎ－ガイド層１４の最表面の（０００１）面との距離Ｄ１はおよそ１４０ｎｍであった（図５、(a4)）。また、｛１０－１１｝ファセットの開口半径Ｒはおよそ８２ｎｍであった（図５、(a4)）。
［表面平坦化］
空孔ＣＨが｛１０－１１｝ファセットで閉塞された後、III族材料ガスの供給を停止し、Ｖ族材料ガス（ＮＨ3）を供給しながら100℃/minの昇温速度で１２００℃まで昇温し、温度を保持した。１２００℃で１分保持（熱処理）した後の空孔の表面は図４に示すように変化した（図４、(b)）。すなわち、ｎ－ガイド層１４の表面に形成されていた｛１０－１１｝ファセットは消失し、表面は平坦な（０００１）面となった。すなわち、マストランスポートによって表面が平坦化され、ｎ－ガイド層１４の表面を（０００１）面に変化させた。
このとき、埋め込まれて形成された空孔（キャビティ）１４Ｃの活性層１５側の面（上面、（０００－１）面）とｎ－ガイド層１４の表面（すなわち、（０００１）面）との間の距離Ｄ２はおよそ１０５ｎｍであった（図５、(b)）。また、空孔１４Ｃの高さＨＣは約１１０ｎｍ、空孔ＣＨの径（当該断面における幅）ＷＣは約６０ｎｍであった。
図６は、上記した工程により形成された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１４Ｃを模式的に示す断面図である。図６に示すように、空孔１４Ｃがｎ－ガイド層１４に平行な面内において、周期ＰＣで正三角格子状に２次元配列されて埋め込まれたフォトニック結晶層１４Ｐが形成された。また、図５に示すように、空孔１４Ｃは、上面が（０００－１）面、側面が｛１０－１０｝面により構成されている。また、基板１２側の底部は｛１－１０２｝ファセットにより構成された多角錐状を有している。なお、空孔１４Ｃは、底部を除いて、多角柱形状を有することが好ましく、空孔１４Ｃの側面のうち、少なくとも１つの側面が｛１０－１０｝面（ファセット）であることが好ましい。
すなわち、一定の周期（ＰＣ）で２次元配列された空孔１４Ｃを有するフォトニック結晶層１４Ｐがｎ－ガイド層１４内に埋め込まれた形態で形成された。フォトニック結晶層１４Ｐ内の各空孔１４Ｃは、ｎ－ガイド層１４内において略同一の深さ（上面の深さがＤ２）であるように整列して配列され、従ってフォトニック結晶層１４Ｐ内に形成された各空孔１４Ｃの上面はフォトニック結晶層１４Ｐの上面を形成している。また、フォトニック結晶層１４Ｐ内の空孔１４Ｃは略同一の高さＨＣを有している。すなわち、フォトニック結晶層１４Ｐは層厚ＨＣであるように形成されている。また、ｎ－ガイド層１４は平坦な表面を有している。
なお、マストランスポートによる変形前後で埋め込まれた空孔１４Ｃの上に形成されるＧａＮ層の合計体積には変化がないと考えられるため、変形前後の空孔１４Ｃの上面（すなわち、（０００－１）面）とｎ－ガイド層１４の表面（すなわち、（０００１）面）との間の距離をそれぞれＤ，ｄ（ここでは、Ｄ＝Ｄ１，ｄ＝Ｄ２）、変形前の｛１０－１１｝ファセットの開口半径をｒ（ｒ＝Ｒ、直径２Ｒ）、フォトニック結晶の空孔１４Ｃの周期をｐ（ここでは、ｐ＝ＰＣ）とすると、
Figure 0007442151000001
 から推定することができる。式(1)から推定される距離dは１１０ｎｍであり、実測値とほとんど同等の距離であった。従って、表面近傍のＧａが拡散することにより表面は｛１０－１１｝ファセットから（０００１）面へと変形したと理解される。
これにより、表面が平坦な（０００１）面であるｎ－ガイド層１４内に空孔１４Ｃを埋め込み、ｎ－ガイド層１４内にフォトニック結晶層１４Ｐを形成することができた。
このとき、フォトニック結晶層における母材（ＧａＮ）に対する異屈折率領域（空孔１４Ｃ）の占める割合であるフィリングファクタ（ＦＦ）は、１０．４％であった。したがって、発振波長λに対して回折効果の高いフォトニック結晶層を得ることができた。
なお、マストランスポートの温度が１２００℃である場合を例に説明したが、１１００℃以上であることが好ましい。
［活性層及びｐ型半導体層の成長］
続いて活性層１５として、５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、５．０ｎｍ、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４０５ｎｍであった。
なお、バリア層は、成長温度を８５０℃に降温し、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びＮＨ3を供給して成長した。井戸層は、バリア層と同じ温度で、ＴＥＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＮＨ3を供給して成長した。
活性層１５の成長後、基板を１１００℃まで昇温し、ｐ側のガイド層であるガイド層１６（層厚：１００ｎｍ）を成長した。ガイド層１６にはドーパントをドープせずに、ノンドープＧａＮ層を成長した。
ガイド層１６上に、成長温度を１１００℃に保持したまま、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７及びｐ－クラッド層１８を成長した。電子障壁層１７及びｐ－クラッド層１８の成長は、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＮＨ3を供給して行った。
電子障壁層１７は、Ａｌ組成が１８％のＡｌＧａＮ層（層厚：２０ｎｍ）であり、ｐ－クラッド層１８は、Ａｌ組成が６％のＡｌＧａＮ層（層厚：６００ｎｍ）であった。また、電子障壁層１７及びｐ－クラッド層１８の成長時にはＣＰ2Ｍｇ（Bis-cyclopentadienyl magnesium）を供給し、キャリア密度は４×１０17ｃｍ-3であった。
上記した方法により、フォトニック結晶を備えた面発光レーザの積層構造を得ることができた。
［検討１］空孔の閉塞
上記実施例１においては、｛１０－１１｝ファセットを成長させることで、空孔ＣＨを閉塞した。閉塞された空孔ＣＨの上面には（０００－１）面が現れ、側面には｛１０－１０｝面が現れる。
すなわち、表面付近には多量のＮ（窒素）原子が存在しているため、Ｎ極性面が選択的に成長しやすい。従って、Ｎ極性を持つことのできる｛１０－１１｝が斜めファセットとして形成される。同じくＮ極性を持つことのできる斜めファセットである｛１１－２２｝ではなく、｛１０－１１｝が現れるのはダングリングボンド密度が小さく表面エネルギーが小さいからであると考えられる。成長時間の経過とともに｛１０－１１｝ファセットが優先的に成長し、対面から成長する｛１０－１１｝ファセットとぶつかると空孔は閉塞される。
そして、空孔ＣＨが閉塞されると空孔ＣＨの各面は最も安定な面が形成される。上面は最もＮ極性で最もダングリングボンド密度の低い（０００－１）面が、下面にはＮ極性の｛１－１０２｝ファセットが形成される。また、成長方向と平行な方向に対してはIII族窒化物は極性を持たないため、側面に現れる面は同一面内で最もダングリングボンド密度の小さな｛１０－１０｝面が現れる。
［検討２］表面平坦化
表面平坦化においては、埋め込まれた空孔ＣＨの上部の｛１０－１１｝ファセットを、マストランスポートによって平坦化させ、ガイド層の表面を（０００１）面に変化させる。
上記したように、空孔ＣＨが｛１０－１１｝ファセットによって閉塞された後、III族原子の供給を停止し、窒素源を供給しながら昇温・加熱する。
すなわち、ｎ－ガイド層１４の表面に付着するＮ原子の脱離が増加する温度まで昇温すると、Ｎ極性面が必ずしも安定的ではなくなる。安定な表面は、表面エネルギーの小さな、すなわちダングリングボンド密度の最も低い面となる。III族窒化物においては、最もダングリングボンド密度の低い（０００１）面が現れる。このとき、III族原子の供給は止められているため、同表面内にてIII族原子の拡散が発生する。最もエネルギー的に不安定な｛１０－１１｝ファセットの山部の原子が、最もエネルギー的に安定な｛１０－１１｝ファセットの谷部に拡散・付着し（０００１）面が形成される。
これにより、埋め込まれた空孔１４Ｃの（０００－１）面からｎ－ガイド層１４の最表面である（０００１）面までの距離は短くなり、フォトニック結晶層１４Ｐと活性層１５との距離を近づけることができる。ｎ－ガイド層１４を構成するIII族窒化物が昇華しなければ、変形前後での合計体積には変化がなく、ｎ－ガイド層１４の最表面の｛１０－１１｝ファセットにより形成された凹部を埋める体積分だけ、埋め込まれた空孔１４Ｃの（０００－１）面とｎ－ガイド層１４の最表面の（０００１）面との間の距離は短くなる。これにより、２次元的な周期をもつ空孔１４Ｃが、上部が平坦な（０００１）面となるｎ－ガイド層１４に、フォトニック結晶層１４Ｐと活性層１５との距離を離すことなく埋め込まれる。
［検討３］比較例との対比
比較例１として、実施例1の平坦化工程（マストランスポート）と同様な工程のみによって空孔ＣＨの埋め込みを行った。すなわち、III族原料の供給を停止し、窒素源を供給しながら昇温・加熱する工程のみによって空孔ＣＨの埋め込みを行った。
図７を参照して以下に説明する。実施例１と同様の工程にてＳｉＮxをハードマスクとして、正三角格子状に周期１８６ｎｍで空孔ＣＨを２次元的に形成した。この後、ＨＦにてＳｉＮxを除去、脱脂洗浄を行い清浄表面を有するガイド層基板を得た。このときの空孔ＣＨの表面ＳＥＭ写真（上段）及び断面ＳＥＭ写真（下段）を図７の(i)に示す。
当該ガイド層基板をＭＯＶＰＥ装置内に導入し、ＮＨ3を供給しながら、100℃/minの昇温速度で１２００℃まで昇温し、温度を保持した。１２００℃で１分間保持した後の空孔ＣＨの表面は図７の(ii)に示すように変化し、ガイド層表面は平坦な（０００１）面となった。
このときの埋め込まれた空孔ＣＨの活性層側の面である（０００－１）面とガイド層の最表面である（０００１）面との間の距離Ｄ２は８３ｎｍ、高さＨＣは１１３ｎｍであったが、空孔ＣＨの径（当該断面における幅）ＷＣは３８ｎｍと非常に細くなった。このときの空孔のＦＦは４．２％となり、放射係数はほぼ０となり光を出射方向に取り出すことができない。
また、比較例２として、実施例1の空孔閉塞工程と同様な工程のみによって空孔ＣＨの埋め込みを行った。図８を参照して以下に説明する。
すなわち、実施例１と同様の工程にて正三角格子状に周期１８６ｎｍで空孔ＣＨを２次元的に形成した。このときの空孔ＣＨの表面ＳＥＭ写真（上段）及び断面ＳＥＭ写真（下段）を図８の(i)に示す。
当該ガイド層基板をＭＯＶＰＥ装置内に導入し、100℃/minの昇温速度で１１００℃まで加熱し、ＴＭＧ及びＮＨ3を供給し、空孔ＣＨを閉塞した。成長時間が１０minの時の表面及び断面写真を図８の(ii)に示す。
ＦＦについては、実施例1とほとんど同等サイズの空孔ＣＨで埋め込むことができている。しかし、空孔ＣＨの活性層側の面である（０００－１）面からガイド層の最表面である（０００１）面までの距離Ｄ２は１６４ｎｍであった。なお、空孔ＣＨの径ＷＣは６１ｎｍ、高さＨＣは１１３ｎｍであった。
また、成長時間が８minの場合にはガイド層の表面には斜めファセットが残っており、平坦な（０００１）面が得られていなかった。したがって、III族原料及びＮＨ3を供給する工程のみで空孔を埋め込むと、空孔の（０００－１）面とガイド層表面である（０００１）面との距離は離れてしまい、ΓPCを大きくすることができない。
比較例１及び２の結果から、埋め込まれる空孔上面の（０００－１）面とガイド層の活性層側の上面（０００１）面との距離を小さくしつつ、フォトニック結晶部の空孔のＦＦを十分に大きくすることは困難であった。
図９は、実施例２のフォトニック結晶面発光レーザ１０におけるフォトニック結晶層１４Ｐの形成について示す図である。より具体的には、図９は、ｎ－ガイド層１４に形成された空孔ＣＨの表面ＳＥＭ像（上段）及び断面ＳＥＭ像（下段）を示している。なお、フォトニック結晶面発光レーザ１０の構造は実施例１の場合と同様である（図２）。
図９に示すように、実施例１と同様の工程によって、ガイド層基板の表面上に、ＳｉＮｘ膜ＳＮを形成した。次に、ＩＣＰ－ＲＩＥ装置によってＳｉＮｘ膜ＳＮを選択的にドライエッチングし、面内周期ＰＣ＝１６１ｎｍで正方格子状に２次元配列された貫通孔がＳｉＮｘ膜ＳＮを形成した。すなわち、短辺長が１００ｎｍの直角二等辺三角形の貫通孔がＳｉＮｘ膜ＳＮを貫通するように形成した。
続いて、パターニングしたＳｉＮｘ膜ＳＮをハードマスクとしてｎ－ガイド層１４（ＧａＮ）の表面から空孔ＣＨを形成した。より具体的には、ＩＣＰ－ＲＩＥ装置を用いてドライエッチングすることにより、ｎ－ガイド層１４に深さが約２３０ｎｍ、短辺長が１００ｎｍの直角二等辺三角形の空孔ＣＨを正方格子状に周期ＰＣ＝１６１ｎｍで面内に２次元配列された複数の空孔ＣＨを形成した（図９、(a1)）。
次に、実施例１と同様に、ＭＯＶＰＥ装置内において、ガイド層基板を１１００℃に加熱し、III族材料ガス（ＴＭＧ）及びＶ族材料ガス（ＮＨ3）を供給することで｛１０－１１｝ファセットを形成し空孔ＣＨの開口部を閉塞した。このときの空孔ＣＨの形状の成長時間に対する変化を図９（図中、（a2)－(a4)）に示す。
図９に示すように、実施例１と同様に、成長時間の経過（１min、３min、５min）とともに｛１０－１１｝ファセットが優先的に成長し、成長開始から５min後に、互いに対向する面から成長する｛１０－１１｝ファセットが互いにぶつかることで空孔ＣＨが閉塞されている（図９、(a4)）。このとき、埋め込まれて形成された空孔１４Ｃの上面である（０００－１）面とｎ－ガイド層１４の表面の（０００１）面との距離Ｄ１はおよそ１４０ｎｍであった（図９、(a4)）。
なお、この際、ｎ－ガイド層１４の表面に、｛１０－１１｝ファセットにより形成される空隙の成長面内における形状は、実施例１では正六角形であったのに対し、実施例２では各辺の長さの異なる不等辺六角形である（図９、(a3),(a4)上面像）。埋め込まれる空孔の断面形状は、これと相似形になるため、パターニングの初期形状を調整することで非対称な形状の空孔１４Ｃが埋め込まれたフォトニック結晶層１４Ｐを形成することができる。
空孔ＣＨが｛１０－１１｝ファセットで閉塞された後、実施例１と同様に、III族材料ガスの供給を停止し、Ｖ族材料ガス（ＮＨ3）を供給しながら100℃/minの昇温速度で１２００℃まで昇温し、温度を保持した。１２００℃で１分保持（熱処理）した後の空孔の表面は図９に示すように変化した（図９、(b)）。すなわち、ｎ－ガイド層１４の表面に形成されていた｛１０－１１｝ファセットは消失し、表面は平坦な（０００１）面となった。すなわち、マストランスポートによって表面が平坦化され、ｎ－ガイド層１４の表面は平坦な（０００１）面となった。
このとき、形成された空孔１４Ｃの活性層１５側の面（すなわち、（０００－１）面）とｎ－ガイド層１４の表面（すなわち、（０００１）面）との間の距離Ｄ２はおよそ９４ｎｍであった（図９、(b)）。また、空孔１４Ｃの高さＨＣは約１３６ｎｍ、空孔ＣＨの当該断面における幅ＷＣは約５８ｎｍであった。
なお、上記したように、実施例２においては、空孔１４Ｃは、成長面内における形状が、各辺の長さの異なる不等辺六角形となる。図１０は、空孔１４Ｃの成長面内における形状の変化を模式的に説明する図である。
より詳細には、ｎ－ガイド層１４に形成された空孔ＣＨの形状は、直角二等辺三角形ａｂｃである。平坦化成長及びマストランスポートによって空孔ＣＨの形状は変化し、平坦化成長及びマストランスポート後の空孔１４Ｃの各側面は｛１０－１０｝面（ｍ面）で構成され、成長面内における形状は不等辺六角形ｐｑｒｓｔｕとなる。すなわち、空孔１４Ｃは、各側面が｛１０－１０｝面である多角柱形状を有し、ｎ－ガイド層１４に平行な面内における対角線（例えば、対角線ｐｓ、ｑｔなど）に関して非対称な形状を有している。
なお、上記実施例における種々の数値等は例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。
また、上記実施例においては、半導体構造層１１が電子障壁層１７を有する場合を例に説明したが、電子障壁層１７は設けられていなくともよい。あるいは、半導体構造層１１は、コンタクト層、電流拡散層その他の半導体層を含んでいてもよい。
また、本明細書においては、第１導電型の半導体（ｎ型半導体）、活性層及び第２導電型の半導体（第１導電型とは反対導電型であるｐ型半導体）をこの順に成長する場合を例に説明したが、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であってもよい。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、均一な屈折率周期を有し、高い回折効果を有するフォトニック結晶を備えた面発光レーザ及びその製造方法を提供することができる。また、フィリングファクタが大きく、また大きな光閉じ込め係数を有するフォトニック結晶を備えた面発光レーザ及びその製造方法を提供することができる。
１０：フォトニック結晶面発光レーザ
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 (6)

  1. III族窒化物半導体からなる面発光レーザであって、
    基板上に形成された第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内部に有する前記第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活性層と、
    前記活性層上に形成された、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第２のガイド層と、
    前記第２のガイド層上に形成された前記第２導電型の第２のクラッド層と、を有し、
    前記第１のガイド層は、前記空孔の側部及び底部が形成された空孔形成層と、前記空孔形成層上に形成されて前記空孔の上部を閉塞しかつ前記空孔の上方に内側面の少なくとも一部が｛１０－１１｝ファセットを含む錐状の凹部を有する空孔閉塞部と、前記錐状の凹部を埋めている埋込部と、を有し、
    前記第１のガイド層内に前記空孔によってフォトニック結晶層が形成されている面発光レーザ。
  2. 前記空孔閉塞部は、前記空孔形成層上に形成された結晶成長層である請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 前記空孔閉塞部の上面と前記埋込部の上面とからなる前記第１のガイド層の上面が平坦である請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記空孔閉塞部の上面と前記埋込部の上面とからなり前記活性層に接する前記第１のガイド層の面は（０００１）面であり、前記空孔の前記活性層側の面が（０００－１）面である請求項１ないし３のいずれか１に記載の面発光レーザ。
  5. 前記空孔は多角柱形状を有し、前記空孔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４のいずれか１に記載の面発光レーザ。
  6. 前記空孔は多角柱形状を有し、前記第１のガイド層に平行な断面における対角線に関して非対称な断面を有する請求項１ないし５のいずれか１に記載の面発光レーザ。
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