フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法
【課題】電子漏れが抑制でき、光閉じ込めの向上を図ることができ、非発光を抑制することが可能なフォトニック結晶面発光レーザを提供する。
【解決手段】基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層がこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザであって、
２次元フォトニック結晶層は、第一のｐ型半導体によるバンドギャップの異なる複数の層を備え、
第一のｐ型半導体による複数の層のバンドギャップは、電子ブロック層を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さく、複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的にそのバンドギャップが減少するように積層され、
積層された層の面内方向の高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、
電子ブロック層の表面を覆うように、第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体が設けられている。
【解決手段】基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層がこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザであって、
２次元フォトニック結晶層は、第一のｐ型半導体によるバンドギャップの異なる複数の層を備え、
第一のｐ型半導体による複数の層のバンドギャップは、電子ブロック層を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さく、複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的にそのバンドギャップが減少するように積層され、
積層された層の面内方向の高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、
電子ブロック層の表面を覆うように、第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このような特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザについて、図１３を用いて説明する。
図１３は特許文献１に記載されているフォトニック結晶面発光レーザの断面図である。
基板の上には、ｎ型クラッド層が形成されており、その上に活性層が設けられている。
また、活性層の上には、ｐ型伝導層が設けられている。ｐ型伝導層は、電子ブロック層と、フォトニック結晶層と、ｐ型コンタクト層を有する。そして、ｐ型電極とｎ型電極が素子の上下に設けられている。
電子ブロック層は、フォトニック結晶層よりもバンドギャップの大きなｐ型半導体からなる層であり、ｎ型クラッド層から活性層に注入された電子がｐ型伝導層に漏れること（電子漏れ）を防ぐために設けられている。
フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶による光の共振が強いほどレーザ発振を起こしやすい。フォトニック結晶による光の共振の強さは、フォトニック結晶層に集中する電場強度（光閉じ込め）によって決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示すフォトニック結晶面発光レーザにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、このようなフォトニック結晶面発光レーザにおいては、電子漏れを抑制する一方、光閉じ込めの向上を図り、非発光再結合を抑制することが難しい。その理由を以下で説明する。
電子漏れの大きさは、ｐ型伝導層を構成するｐ型半導体のバンドギャップとドープ濃度によって決定される。
電子漏れを抑制するには、ｐ型伝導層を構成するｐ型半導体のバンドギャップを大きくするか、アクセプタドープ濃度を増やせばよい。
ｐ型半導体のバンドギャップを大きくした場合、窒化ガリウム、ガリウム砒素のような一般的な化合物半導体を用いると、光閉じ込めが弱くなってしまう。
なぜならば、一般の化合物半導体の場合、バンドギャップが大きいほど屈折率が小さい。
従って、バンドギャップの大きいｐ型半導体を用いるほど、フォトニック結晶層周辺の屈折率が低下し、フォトニック結晶層に集中する電場強度、即ち光閉じ込めが低下する。
【０００６】
一方ｐ型半導体のアクセプタドープ濃度を上げた場合、非発光再結合の増大を招く。
フォトニック結晶レーザにおいては、空孔表面の欠陥準位を介した再結合が、非発光再結合の主な要因となっている。
表面の欠陥準位は、不純物濃度、即ちｐ型半導体においてはアクセプタドープ濃度が大きいほど大きい。
従って、アクセプタドープ濃度を上げると、非発光再結合が増大してしまう。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、電子漏れを抑制することができる一方、光閉じ込めの向上を図ることができ、また非発光再結合を抑制することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層が、少なくともこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層は、第一のｐ型半導体により形成されたバンドギャップの異なる複数の層を備え、
前記第一のｐ型半導体による複数の層のバンドギャップは、前記電子ブロック層を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さく、該複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的にそのバンドギャップが減少するように積層され、
該積層された層の面内方向に形成された高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体が設けられていることを特徴とする。また、本発明のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、上記したフォトニック結晶面発光レーザを製造するフォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第三のｐ型半導体を設けるに際し、
Ｖ族原子を含むガス雰囲気中で加熱する熱処理により、該電子ブロック層の表面を該第三のｐ型半導体によって覆うようにする工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子漏れを抑制することができる一方、光閉じ込めの向上を図ることができ、また非発光再結合を抑制することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態及び実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成例を説明する概略図。
【図２】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と比較例とについて説明する図。
【図３】本発明の実施形態及び実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示した図。
【図４】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変形例を示した図。
【図５】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と比較例の光閉じ込め係数の計算結果を示した図。
【図６】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変形例を示した図。
【図７】本発明の実施例１における熱処理前後における孔形状変化を示す電子顕微鏡写真。
【図８】本発明の実施例１における熱処理工程後のアクセプタ濃度分布を示す電子顕微鏡写真。
【図９】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの概略図。
【図１０】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示した図。
【図１１】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの変形例を示した図。
【図１２】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示した図。
【図１３】従来例におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成を説明する概略図。
【図１４】比較例のフォトニック結晶面発光レーザの構成例を説明する概略図。
【図１５】比較例のフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
［実施形態］
本発明の実施形態として、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層が、少なくともこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザの構成例について説明する。
図１は本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザを説明する断面図である。
本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザ１００は、基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型伝導層１０４が設けられている。
ｐ型伝導層１０４は、電子ブロック層１０５と、フォトニック結晶層１０６と、ｐ型コンタクト層１０７を有する。
そして、ｐ型電極１０８とｎ型電極１０９が素子の上下に設けられている。複数の層によるフォトニック結晶層１０６は、電子ブロック層１０５に近いほうから、フォトニック結晶層１１０、フォトニック結晶１１１の２つの層からなっている。
そして、ｐ型伝導層１０４を構成するｐ型半導体のバンドギャップは、電子ブロック層１０５よりもフォトニック結晶層１１０の方が小さく、フォトニック結晶層１１０よりもフォトニック結晶層１１１の方が小さい。
すなわち、フォトニック結晶層１０６を構成する第一のｐ型半導体のバンドギャップは、電子ブロック層１０５を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップとされている。
さらに、本実施例ではフォトニック結晶層１０６内において、電子ブロック層側から外側（積層方向）に向かって、段階的に第一のｐ型半導体のバンドギャップが減少するように変化している。
【００１２】
フォトニック結晶層１０６には、第一のｐ型半導体からなる高屈折率部中に、空孔からなる低屈折率部が周期的に形成されている。
そして、電子ブロック層１０５の表面は、上記２次元周期構造の低屈折率部（空孔）に設けられた被覆層１１２によって覆われている。
被覆層１１２は、電子ブロック層１０５を構成する第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体からなっている。
以上に示す構成により、実施形態に示すフォトニック結晶面発光レーザ１００では、電子漏れの抑制、光閉じ込めの向上、非発光再結合の抑制を両立することが出来る。
【００１３】
以下に、図１４に示すような三つのフォトニック結晶レーザを比較例に用いて説明する。
一つ目は、電子漏れの防止を目的として、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体（大ドープ濃度、大バンドギャップ）で構成した比較例Ａである。
二つ目は、光閉じ込めの向上を目的として、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１１を構成するｐ型半導体（小バンドギャップ）で構成した比較例Ｂである。
三つ目は、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体とバンドギャップが同じで、被覆層１１２を構成するｐ型半導体とドープ濃度が同じｐ型半導体で構成した比較例Ｃである。
すなわち、比較例Ｃはフォトニック結晶１０６全体をドープ濃度の低いｐ型半導体（小ドープ濃度）で構成した比較例である。
【００１４】
図２（ａ）は、フォトニック結晶レーザ１００、比較例Ａ、比較例Ｂ、比較例Ｃの注入電流に対する光出力（ＩＬ特性）を計算した結果である。
計算に用いたレーザの層構成は図３および図１５に示す通りであり、フォトニック結晶レーザ１００の構成は実施例１に示すフォトニック結晶レーザの構成である。
図２（ａ）より、比較例Ａは、比較例Ｂ、比較例Ｃよりも、注入電流が大きい時の光出力が大きい。注入電流が大きい時の光出力が大きいことは、活性層から電子が漏れ出しにくいことを示す。
従って、図２（ａ）の結果は、比較例Ａは、比較例Ｂ、比較例Ｃよりも、電子漏れが抑制できていることを示す。これは、前述した「バンドギャップが大きく、アクセプタドープ濃度が大きいｐ型半導体を用いるほど電子漏れが抑制できる」という説明を支持している。
【００１５】
また、図２（ａ）より、フォトニック結晶レーザ１００はどの比較例よりも、高注入電流時の光出力が大きい。つまり、フォトニック結晶レーザ１００は、どの比較例に対しても電子漏れが抑制できている。
この理由について、図２（ｂ）に示すバンド図を用いて説明する。
比較例の中で最も電子漏れ抑制の効果が大きいのは比較例Ａであることから、フォトニック結晶レーザ１００と比較例Ａとの比較を行う。
図２（ｂ）中に示された、伝導帯端と電子の擬フェルミ準位エネルギーとの差は、電子にとっての実効的な障壁の高さを示しており、この差が大きいほど電子漏れが抑制できる。
比較例Ａでは、電子ブロック層１０５とフォトニック結晶層１０６（＝フォトニック結晶層１１０）の界面において障壁が高くなっており、この部分が電子漏れを抑制している。
一方、フォトニック結晶レーザ１００では、電子ブロック層１０５とフォトニック結晶層１１０の界面に加えて、フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１の界面も、障壁が高くなっている。
従って、本発明の方が電子漏れを抑制する障壁が実効的に厚く、電子漏れ抑制の効果が大きい。
【００１６】
フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１の界面付近のバンドは、ｐ型半導体のヘテロ接合におけるバンド曲がりを反映している。
つまり、フォトニック結晶層１１１を構成するｐ型半導体のバンドギャップが、フォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体のバンドギャップよりも小さいために、電子漏れを比較例Ａよりも抑制できる。
従って、フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１の層の厚みは、図３に示す厚みに限るものではなく、厚みによらず、電子漏れ抑制の効果が得られる。
また、図１のようにフォトニック結晶層がフォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶１１１の２層のみである必要はない。
相対的に活性層に近い側のｐ型半導体層のバンドギャップが大きければ、図４（ａ）のように、フォトニック結晶層が３層以上設けられていても良い。
層数を増やすほど電子漏れをより抑制できるため、好ましい。
特に、電子ブロック層１０５側から外側に向かって、第一のｐ型半導体のバンドギャップが連続的に減少するように変化していると更に好ましい（図４（ｂ））。
【００１７】
図５は、フォトニック結晶レーザ１００と、比較例Ａ、比較例Ｂのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を計算した結果である。なお、計算に用いたレーザの層構成は、同様に図３に示す通りである。
前述したように、フォトニック結晶層付近の屈折率が大きいほど、光閉じ込め係数が大きい。比較例Ａは比較例Ｂに比べて、フォトニック結晶層１０６を構成するｐ型半導体のバンドギャップが大きい。一般の半導体レーザに用いられる化合物半導体では、バンドギャップが大きい材料ほど屈折率が小さい。従って、比較例Ａは比較例Ｂに比べて、フォトニック結晶１０６を構成するｐ型半導体の屈折率が低いため、光閉じ込め係数が小さい。
すなわち、比較例Ａのように電子漏れを抑制するために、フォトニック結晶層１０６を構成するｐ型半導体のバンドギャップを単に大きくすると、光閉じ込め係数が小さくなってしまう。
しかしながら、フォトニック結晶レーザ１００では、比較例Ｂと比較して、同等以上の光閉じ込め係数が得られる。この理由は二つある。
一つ目は、フォトニック結晶層１０６全体のバンドギャップが大きい比較例Ａと異なり、フォトニック結晶レーザ１００ではフォトニック結晶層１１０のみのバンドギャップが大きいためである。
そのため、フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６全体の有効屈折率が、比較例Ａほどには下がらない。
二つ目は、フォトニック結晶層１０６中に被覆層１１２が設けられていることである。
被覆層１１２が設けられていることにより、フォトニック結晶層１０６全体の有効屈折率が上がる。
そのため、フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１１を構成する高屈折率のｐ型半導体で構成した比較例Ｂと比較しても、同等以上の光閉じ込め係数が得られる。
【００１８】
被覆層１１２は、電子ブロック層１０５の上面だけでなく、図６（ａ）のように更に孔の側面を覆っていても良いし、図６（ｂ）のようにフォトニック結晶層１１０の空孔部を全て埋めてしまっていても良い。
光閉じ込めの観点からは、被覆層１１２の充填率が高いほど、フォトニック結晶層１０６全体の有効屈折率が高くなるため好ましい。
被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体のバンドギャップと、フォトニック結晶層１１０を構成する第一のｐ型半導体のバンドギャップとは、同じであっても良い。
フォトニック結晶層１１０を構成する第一のｐ型半導体と被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体は、ドープ濃度が異なるために屈折率が異なり、図１の１１３の部分もフォトニック結晶として働くからである。
但し、被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体のバンドギャップが、電子ブロック層１０５に隣接する部分における第一のｐ型半導体のバンドギャップと、異なっていた方が更に好ましい。
フォトニック結晶層１１０を構成する第一のｐ型半導体と、被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体との屈折率差が大きいほど、光の共振が強く、レーザ発振しやすくなるためである。
【００１９】
最後に、非発光再結合について、フォトニック結晶レーザ１００、比較例Ａ、比較例Ｃの比較を行う。
前述したように、空孔表面に位置するｐ型半導体のアクセプタドープ濃度が大きいほど、非発光再結合が多い。
比較例Ａは、比較例Ｃに比べてフォトニック結晶層１０６を構成するｐ型半導体のアクセプタドープ濃度が大きいため、空孔表面における非発光再結合が大きい。すなわち、比較例Ａのように電子漏れを抑制するために、ｐ型伝導層を構成するｐ型半導体のアクセプタドープ濃度を単に大きくすると、非発光再結合が増大してしまうことを意味する。
しかしながら、フォトニック結晶レーザ１００では、比較例Ｃと同等か、それ以上に非発光再結合を抑制できる。この理由は二つある。
一つ目は、フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６の下部において空孔表面に露出したｐ型半導体は、アクセプタドープ濃度の小さい被覆層１１２であるからである。
ｐ型伝導層中における電子濃度は活性層から離れるほど小さくなるため、主に非発光再結合が発生するのはフォトニック結晶層１０６の下部である。
フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６の下部が、比較例Ｃと同じくアクセプタドープ濃度の小さいｐ型半導体からなる被覆層１１２で形成されているため、比較例Ｃと同等の非発光再結合に抑制できる。
二つ目は、被覆層１１２が電子ブロック層１０５よりもアクセプタドープ濃度の小さいｐ型半導体であるため、被覆層１１２と電子ブロック層１０５の間が弱い逆バイアス状態になるためである。
逆バイアスにより、電子が電子ブロック層１０５から被覆層１１２に流れるのが妨げられ、結果として空孔表面における非発光再結合が抑制できる。
一方、比較例Ｃでは、被覆層１１２が存在しないために、逆バイアスが生じない。従って、フォトニック結晶レーザ１００は、比較例Ｃに比べて同等か、それ以上に非発光再結合を抑制できる。
被覆層１１２は、電子ブロック層１０５の上面を覆っていれば、非発光再結合を抑制できる。但し、図６（ａ）のようにフォトニック結晶層１０６中の空孔側面も覆っていた方が、空孔側面における非発光再結合が抑制できるため、更に好ましい。
【００２０】
以上より、本発明を適用したフォトニック結晶レーザ１００は、電子漏れの抑制、光閉じ込めの向上、非発光再結合の抑制を両立できるフォトニック結晶レーザとなっている。
本実施形態の面発光レーザにおける半導体や活性層は、一般の半導体レーザに使用されるものを使用することができる。
例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどである。但し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体を用いた場合、電子漏れや表面再結合が特に大きいため、窒化物半導体からなるフォトニック結晶レーザに用いた方が、本発明の効果が大きい。
【実施例】
【００２１】
以下に、本発明の実施例について説明する。以下の実施例は、実施形態１で述べた、フォトニック結晶面発光レーザの構造および製造方法を具体的に示すものである。
［実施例１］
実施例１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の断面図は図１である。そして、それぞれの層の組成、ドープ濃度、膜厚、フォトニック結晶の構成は図３に示してある。
実施形態で説明したしたように、本実施例に示すフォトニック結晶レーザ１００は、比較例Ａ、比較例Ｂ、比較例Ｃと比較して、電子漏れの抑制、光閉じ込めの向上、非発光再結合の抑制を両立できるフォトニック結晶レーザとなっている。実施例１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法を説明する。まず、ｎ型ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体を図３に示す層構成になるように、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ電子ブロック層１０５まで順次積層する。
ついで、後にフォトニック結晶層１１０となるｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎを１１０ｎｍ、後にフォトニック結晶層１１１となるｐ−ＧａＮを１１０ｎｍ、同じくＭＯＣＶＤ法を用いて積層する。
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。ここからフォトニック結晶の形成に移る。
【００２２】
まず、ＣＶＤによってＳｉＯ2からなる膜を成膜する。
次に、電子線リソグラフィ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、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２２０ｎｍ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、基板面内方向に周期的に配列された空孔が形成される。即ち、フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１が形成される。
【００２３】
その後、Ｖ族原子である窒素原子を含むＮＨ3ガス雰囲気中で、基板を９００℃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９００℃に到達したら温度を９００℃に保ち３０分間熱処理する。
この工程で、電子ブロック層１０５よりもドープ濃度の小さいｐ−ＧａＮからなる被覆層１１２が、電子ブロック層１０５の表面およびフォトニック結晶層１０６の空孔の側面に形成される。その理由を説明する。
ＡｌＮを結晶成長する際の成長温度は１４００℃以上であり、本工程のように９００℃に基板を加熱した場合、フォトニック結晶レーザ１００中のＡｌ原子はほとんど動かない。
【００２４】
一方、ＧａＮを結晶成長する際の成長温度は約１０００℃であるが、９００℃でもＧａ原子がわずかに表面拡散し、マストランスポートを起こす。
したがって、本熱処理工程では、フォトニック結晶層１１１の表面からＧａ原子がマストランスポートを起こし、電子ブロック層１０５の表面およびフォトニック結晶層１０６の空孔の側面にＧａ原子が移動する。
その後、Ｇａ原子はＮＨ3ガス中の窒素原子と反応し、電子ブロック層１０５の表面及びフォトニック結晶１０６の空孔の側面にｐ−ＧａＮからなる被覆層が形成される。
【００２５】
図７は、上述の製造工程のように電子線描画とドライエッチを用いて、ＧａＮ中に作製した孔の電子線写真である。
図７（ａ）が本熱処理工程を行う前の電子顕微鏡写真、図７（ｂ）が本熱処理工程後の電子線顕微鏡写真である。
両者を比較すると、熱処理工程の前後で、孔の形が変化しているのがわかる。特に孔底の形状が変化しており、Ｇａ原子が本熱処理工程にてマストランスポートを起こしていることがわかる。
なお、熱処理工程における加熱温度は８５０℃以上であればよい。図７（ｃ）、図７（ｄ）は、前述した熱処理工程において、加熱温度を８５０℃に変更した際の電子顕微鏡写真である。
図７（ｃ）が熱処理工程前、図７（ｄ）が熱処理工程後である。
図７より、９００℃の場合よりは孔の形の変化が小さいものの、８５０℃で熱処理を行った場合でも孔底の形状変化は生じていることがわかる。
実施例１では、フォトニック結晶層１１１をｐ−ＧａＮとしたが、ｐ−ＡｌＧａＮであってもよい。
なぜなら、フォトニック結晶層１１１がｐ−ＡｌＧａＮであっても、Ａｌ原子は動かず、Ｇａ原子のみが選択的にマストランスポートを起こすためである。
すなわち、フォトニック結晶層１１１はｐ−ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜＝ｘ＜１）であればよい。
【００２６】
つぎに、アクセプタであるＭｇの動きに注目する。
図８は、上述の製造工程のように電子線描画とドライエッチ、熱処理工程を用いて作製した空孔の電子線顕微鏡写真である。
なお、図中の鎖線より下の領域３００がアンドープ（ｕｄ−）ＧａＮ、上の領域３０１がＭｇをドープしたｐ−ＧａＮである。
ｕｄ−ＧａＮ３００に比べてＭｇドープされた領域３０１は明るく見えている。電子線顕微鏡写真のコントラストは、凹凸形状、組成、結晶性、磁性、電位などを反映したものである。
図７では、領域３００と領域３０１のＭｇ組成の違い及びそれによって生じる電位差によるものである。Ｍｇ濃度が高いほど明るく見えるので、電子線顕微鏡写真の明暗からＭｇ濃度を推測することができる。
図８より、熱処理工程によってＧａ原子がマストランスポートした部分（点線の円で囲った部分）のＭｇ濃度が低いことが分かる。従って、本熱処理工程によって形成されるｐ−ＧａＮ被覆層１１２のドープ濃度を、電子ブロック層１０５より小さくすることが可能となる。
【００２７】
以上のように、実施例１に示す製造方法では、窒素を含む雰囲気中で加熱する熱処理工程のみで、電子ブロック層１０５の表面およびフォトニック結晶層１０６の空孔の側面に、被覆層１１２を形成することができる。
被覆層１１２を形成する他の工程としては、実施例２に示すように、多段階の再成長を用いる方法がある。
しかし、再成長させない部分をマスクで覆う必要があるなど、製造工程が複雑となる。従って、熱処理工程のみで被覆層１１２を形成可能な、実施例１に示す製造工程にて製造することが好ましい。
なお、被覆層１１２の形状は、熱処理工程の条件によって変えることが出来る。例えば、熱処理工程の温度を高くすれば、マストランスポートする原子の量が増えるため、被覆層１１２が大きくなり、図６（ａ）や図６（ｂ）のような構造が作製できる。
【００２８】
また、被覆層１１２はｐ−ＧａＮ、フォトニック結晶層１１０はｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎと、両者はバンドギャップが異なるｐ型半導体から形成されている。前述したように、被覆層１１２とフォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体のバンドギャップが異なっていた方が、屈折率差によってレーザ発振しやすくなるため好ましい。
製造工程の最後に、再度ＭＯＣＶＤによってｐ型コンタクト層１０７を成長させる。
そして、電子線蒸着によってＮｉ１０ｎｍ／Ａｕ４０ｎｍからなるｐ型電極１０８とＴｉ２０ｎｍ／Ａｌ１００ｎｍからなるｎ型電極１０９を付けることで、フォトニック結晶レーザ１００を製造することができる。
実施例１においては、２層からなるフォトニック結晶層１０６を例示したが、ＭＯＣＶＤ法の成長条件を変えれば、図４のように３層以上のフォトニック結晶層１０６を製造できることは明らかである。
【００２９】
［実施例２］
実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザ２００の断面図は図９である。
そして、それぞれの層の組成、ドープ濃度、膜厚、フォトニック結晶の構成は図１０に示してある。
実施例２に示すフォトニック結晶面発光レーザ２００は、実施例１に示すフォトニック結晶面発光レーザ１００に対して、フォトニック結晶層２０６の構成のみが異なる。図９、図１０において、実施例１と同じ構成を持つ層には、図１、図３と同一の符号を付加している。
フォトニック結晶層２０６は、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎフォトニック結晶層２１０と、フォトニック結晶層２１０よりもｐ型半導体の充填率が低いｐ−ＧａＮフォトニック結晶層２１１からなる。
フォトニック結晶層２１１のｐ型半導体の充填率を、フォトニック結晶層２１０よりも低くした方が、ｐ型電極１０８による吸収が少なくなるため好ましい。これは以下の理由による。
【００３０】
ｐ型電極１０８による吸収を減らすには、電場分布をｐ型電極１０８から遠ざければよい。
フォトニック結晶層２１１よりもフォトニック結晶層２１０の方がｐ型電極より遠いため、フォトニック結晶層２１１よりもフォトニック結晶２１０側に電場分布を寄せればよい。
したがって、フォトニック結晶層２１０の有効屈折率よりも、フォトニック結晶層２１１の有効屈折率を低くすれば良いことが分かる。
有効屈折率は、ｐ型半導体の材料屈折率と充填率で決定されるため、フォトニック結晶層２１１のｐ型半導体の充填率をフォトニック結晶層２１０よりも小さくすれば、ｐ型電極１０８による吸収を減らすことができる。
実施例２では、フォトニック結晶層２０６が２層からなる構成を示したが、３層以上からなっていても良い。
図１１のように電子ブロック層１０５から外側に向かって、ｐ型半導体の充填率が減少するように変化していれば、ｐ型電極１０８による吸収を減らすことができる。
【００３１】
つぎに、実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザ２００の製造方法を説明する。
まず、実施例１と同様に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ電子ブロック層１０５まで順次積層する。
その後にフォトニック結晶層２１０となるｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎを１１０ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて積層する（図１２（ａ））。
次に、実施例１と同様に電子線リソグラフィとドライエッチングによってフォトニック結晶層２１０を作製する（図１２（ｂ））。
続いて、フォトニック結晶層２１０の空孔以外の上面をマスクし、ＭＯＣＶＤ法によって、電子ブロック層１０５の上面に被覆層１１２を作製する（図１２（ｃ））。
この際、被覆層１１２のアクセプタドープ濃度が電子ブロック層１０５のアクセプタドープ濃度よりも小さくなるように、Ｍｇ源であるＣＰ2Ｍｇの流量を、電子ブロック層１０５を成長する際のＣＰ2Ｍｇの流量よりも少なくしておく。
マスクを除去後、今度は後にフォトニック結晶層２１１となるｐ−ＧａＮを１１０ｎｍ、ＭＯＣＶＤを用いてフォトニック結晶層２１０上に再成長させる（図１２（ｄ））。
【００３２】
続いて、同様に電子線リソグラフィとドライエッチングによってフォトニック結晶層２１１を作製する（図１２（ｅ））。
この際、フォトニック結晶２１１の方が、フォトニック結晶２１０よりも孔径が大きくなるように作製する。
最後に、再度ＭＯＣＶＤによってｐ型コンタクト層１０７を成長させ、電子線蒸着によってｐ型電極１０８とｎ型電極１０９を付けることで、フォトニック結晶レーザ２００を製造することができる（図１２（ｆ））。
実施例２に示す製造工程は、実施例１よりも製造工程が複雑だが、フォトニック結晶層２１０とフォトニック結晶層２１１の孔径を独立に制御することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１００：フォトニック結晶面発光レーザ
１０１：基板
１０２：ｎ型クラッド層
１０３：活性層
１０４：ｐ型伝導層
１０５：電子ブロック層
１０６：フォトニック結晶層
１０７：ｐ型コンタクト層
１０８：ｐ型電極
１０９：ｎ型電極
１１２：被覆層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このような特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザについて、図１３を用いて説明する。
図１３は特許文献１に記載されているフォトニック結晶面発光レーザの断面図である。
基板の上には、ｎ型クラッド層が形成されており、その上に活性層が設けられている。
また、活性層の上には、ｐ型伝導層が設けられている。ｐ型伝導層は、電子ブロック層と、フォトニック結晶層と、ｐ型コンタクト層を有する。そして、ｐ型電極とｎ型電極が素子の上下に設けられている。
電子ブロック層は、フォトニック結晶層よりもバンドギャップの大きなｐ型半導体からなる層であり、ｎ型クラッド層から活性層に注入された電子がｐ型伝導層に漏れること（電子漏れ）を防ぐために設けられている。
フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶による光の共振が強いほどレーザ発振を起こしやすい。フォトニック結晶による光の共振の強さは、フォトニック結晶層に集中する電場強度（光閉じ込め）によって決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示すフォトニック結晶面発光レーザにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、このようなフォトニック結晶面発光レーザにおいては、電子漏れを抑制する一方、光閉じ込めの向上を図り、非発光再結合を抑制することが難しい。その理由を以下で説明する。
電子漏れの大きさは、ｐ型伝導層を構成するｐ型半導体のバンドギャップとドープ濃度によって決定される。
電子漏れを抑制するには、ｐ型伝導層を構成するｐ型半導体のバンドギャップを大きくするか、アクセプタドープ濃度を増やせばよい。
ｐ型半導体のバンドギャップを大きくした場合、窒化ガリウム、ガリウム砒素のような一般的な化合物半導体を用いると、光閉じ込めが弱くなってしまう。
なぜならば、一般の化合物半導体の場合、バンドギャップが大きいほど屈折率が小さい。
従って、バンドギャップの大きいｐ型半導体を用いるほど、フォトニック結晶層周辺の屈折率が低下し、フォトニック結晶層に集中する電場強度、即ち光閉じ込めが低下する。
【０００６】
一方ｐ型半導体のアクセプタドープ濃度を上げた場合、非発光再結合の増大を招く。
フォトニック結晶レーザにおいては、空孔表面の欠陥準位を介した再結合が、非発光再結合の主な要因となっている。
表面の欠陥準位は、不純物濃度、即ちｐ型半導体においてはアクセプタドープ濃度が大きいほど大きい。
従って、アクセプタドープ濃度を上げると、非発光再結合が増大してしまう。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、電子漏れを抑制することができる一方、光閉じ込めの向上を図ることができ、また非発光再結合を抑制することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層が、少なくともこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層は、第一のｐ型半導体により形成されたバンドギャップの異なる複数の層を備え、
前記第一のｐ型半導体による複数の層のバンドギャップは、前記電子ブロック層を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さく、該複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的にそのバンドギャップが減少するように積層され、
該積層された層の面内方向に形成された高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体が設けられていることを特徴とする。また、本発明のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、上記したフォトニック結晶面発光レーザを製造するフォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第三のｐ型半導体を設けるに際し、
Ｖ族原子を含むガス雰囲気中で加熱する熱処理により、該電子ブロック層の表面を該第三のｐ型半導体によって覆うようにする工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子漏れを抑制することができる一方、光閉じ込めの向上を図ることができ、また非発光再結合を抑制することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態及び実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成例を説明する概略図。
【図２】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と比較例とについて説明する図。
【図３】本発明の実施形態及び実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示した図。
【図４】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変形例を示した図。
【図５】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と比較例の光閉じ込め係数の計算結果を示した図。
【図６】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変形例を示した図。
【図７】本発明の実施例１における熱処理前後における孔形状変化を示す電子顕微鏡写真。
【図８】本発明の実施例１における熱処理工程後のアクセプタ濃度分布を示す電子顕微鏡写真。
【図９】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの概略図。
【図１０】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示した図。
【図１１】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの変形例を示した図。
【図１２】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示した図。
【図１３】従来例におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成を説明する概略図。
【図１４】比較例のフォトニック結晶面発光レーザの構成例を説明する概略図。
【図１５】比較例のフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
［実施形態］
本発明の実施形態として、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層が、少なくともこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザの構成例について説明する。
図１は本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザを説明する断面図である。
本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザ１００は、基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型伝導層１０４が設けられている。
ｐ型伝導層１０４は、電子ブロック層１０５と、フォトニック結晶層１０６と、ｐ型コンタクト層１０７を有する。
そして、ｐ型電極１０８とｎ型電極１０９が素子の上下に設けられている。複数の層によるフォトニック結晶層１０６は、電子ブロック層１０５に近いほうから、フォトニック結晶層１１０、フォトニック結晶１１１の２つの層からなっている。
そして、ｐ型伝導層１０４を構成するｐ型半導体のバンドギャップは、電子ブロック層１０５よりもフォトニック結晶層１１０の方が小さく、フォトニック結晶層１１０よりもフォトニック結晶層１１１の方が小さい。
すなわち、フォトニック結晶層１０６を構成する第一のｐ型半導体のバンドギャップは、電子ブロック層１０５を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップとされている。
さらに、本実施例ではフォトニック結晶層１０６内において、電子ブロック層側から外側（積層方向）に向かって、段階的に第一のｐ型半導体のバンドギャップが減少するように変化している。
【００１２】
フォトニック結晶層１０６には、第一のｐ型半導体からなる高屈折率部中に、空孔からなる低屈折率部が周期的に形成されている。
そして、電子ブロック層１０５の表面は、上記２次元周期構造の低屈折率部（空孔）に設けられた被覆層１１２によって覆われている。
被覆層１１２は、電子ブロック層１０５を構成する第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体からなっている。
以上に示す構成により、実施形態に示すフォトニック結晶面発光レーザ１００では、電子漏れの抑制、光閉じ込めの向上、非発光再結合の抑制を両立することが出来る。
【００１３】
以下に、図１４に示すような三つのフォトニック結晶レーザを比較例に用いて説明する。
一つ目は、電子漏れの防止を目的として、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体（大ドープ濃度、大バンドギャップ）で構成した比較例Ａである。
二つ目は、光閉じ込めの向上を目的として、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１１を構成するｐ型半導体（小バンドギャップ）で構成した比較例Ｂである。
三つ目は、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体とバンドギャップが同じで、被覆層１１２を構成するｐ型半導体とドープ濃度が同じｐ型半導体で構成した比較例Ｃである。
すなわち、比較例Ｃはフォトニック結晶１０６全体をドープ濃度の低いｐ型半導体（小ドープ濃度）で構成した比較例である。
【００１４】
図２（ａ）は、フォトニック結晶レーザ１００、比較例Ａ、比較例Ｂ、比較例Ｃの注入電流に対する光出力（ＩＬ特性）を計算した結果である。
計算に用いたレーザの層構成は図３および図１５に示す通りであり、フォトニック結晶レーザ１００の構成は実施例１に示すフォトニック結晶レーザの構成である。
図２（ａ）より、比較例Ａは、比較例Ｂ、比較例Ｃよりも、注入電流が大きい時の光出力が大きい。注入電流が大きい時の光出力が大きいことは、活性層から電子が漏れ出しにくいことを示す。
従って、図２（ａ）の結果は、比較例Ａは、比較例Ｂ、比較例Ｃよりも、電子漏れが抑制できていることを示す。これは、前述した「バンドギャップが大きく、アクセプタドープ濃度が大きいｐ型半導体を用いるほど電子漏れが抑制できる」という説明を支持している。
【００１５】
また、図２（ａ）より、フォトニック結晶レーザ１００はどの比較例よりも、高注入電流時の光出力が大きい。つまり、フォトニック結晶レーザ１００は、どの比較例に対しても電子漏れが抑制できている。
この理由について、図２（ｂ）に示すバンド図を用いて説明する。
比較例の中で最も電子漏れ抑制の効果が大きいのは比較例Ａであることから、フォトニック結晶レーザ１００と比較例Ａとの比較を行う。
図２（ｂ）中に示された、伝導帯端と電子の擬フェルミ準位エネルギーとの差は、電子にとっての実効的な障壁の高さを示しており、この差が大きいほど電子漏れが抑制できる。
比較例Ａでは、電子ブロック層１０５とフォトニック結晶層１０６（＝フォトニック結晶層１１０）の界面において障壁が高くなっており、この部分が電子漏れを抑制している。
一方、フォトニック結晶レーザ１００では、電子ブロック層１０５とフォトニック結晶層１１０の界面に加えて、フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１の界面も、障壁が高くなっている。
従って、本発明の方が電子漏れを抑制する障壁が実効的に厚く、電子漏れ抑制の効果が大きい。
【００１６】
フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１の界面付近のバンドは、ｐ型半導体のヘテロ接合におけるバンド曲がりを反映している。
つまり、フォトニック結晶層１１１を構成するｐ型半導体のバンドギャップが、フォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体のバンドギャップよりも小さいために、電子漏れを比較例Ａよりも抑制できる。
従って、フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１の層の厚みは、図３に示す厚みに限るものではなく、厚みによらず、電子漏れ抑制の効果が得られる。
また、図１のようにフォトニック結晶層がフォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶１１１の２層のみである必要はない。
相対的に活性層に近い側のｐ型半導体層のバンドギャップが大きければ、図４（ａ）のように、フォトニック結晶層が３層以上設けられていても良い。
層数を増やすほど電子漏れをより抑制できるため、好ましい。
特に、電子ブロック層１０５側から外側に向かって、第一のｐ型半導体のバンドギャップが連続的に減少するように変化していると更に好ましい（図４（ｂ））。
【００１７】
図５は、フォトニック結晶レーザ１００と、比較例Ａ、比較例Ｂのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を計算した結果である。なお、計算に用いたレーザの層構成は、同様に図３に示す通りである。
前述したように、フォトニック結晶層付近の屈折率が大きいほど、光閉じ込め係数が大きい。比較例Ａは比較例Ｂに比べて、フォトニック結晶層１０６を構成するｐ型半導体のバンドギャップが大きい。一般の半導体レーザに用いられる化合物半導体では、バンドギャップが大きい材料ほど屈折率が小さい。従って、比較例Ａは比較例Ｂに比べて、フォトニック結晶１０６を構成するｐ型半導体の屈折率が低いため、光閉じ込め係数が小さい。
すなわち、比較例Ａのように電子漏れを抑制するために、フォトニック結晶層１０６を構成するｐ型半導体のバンドギャップを単に大きくすると、光閉じ込め係数が小さくなってしまう。
しかしながら、フォトニック結晶レーザ１００では、比較例Ｂと比較して、同等以上の光閉じ込め係数が得られる。この理由は二つある。
一つ目は、フォトニック結晶層１０６全体のバンドギャップが大きい比較例Ａと異なり、フォトニック結晶レーザ１００ではフォトニック結晶層１１０のみのバンドギャップが大きいためである。
そのため、フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６全体の有効屈折率が、比較例Ａほどには下がらない。
二つ目は、フォトニック結晶層１０６中に被覆層１１２が設けられていることである。
被覆層１１２が設けられていることにより、フォトニック結晶層１０６全体の有効屈折率が上がる。
そのため、フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６全体を、フォトニック結晶層１１１を構成する高屈折率のｐ型半導体で構成した比較例Ｂと比較しても、同等以上の光閉じ込め係数が得られる。
【００１８】
被覆層１１２は、電子ブロック層１０５の上面だけでなく、図６（ａ）のように更に孔の側面を覆っていても良いし、図６（ｂ）のようにフォトニック結晶層１１０の空孔部を全て埋めてしまっていても良い。
光閉じ込めの観点からは、被覆層１１２の充填率が高いほど、フォトニック結晶層１０６全体の有効屈折率が高くなるため好ましい。
被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体のバンドギャップと、フォトニック結晶層１１０を構成する第一のｐ型半導体のバンドギャップとは、同じであっても良い。
フォトニック結晶層１１０を構成する第一のｐ型半導体と被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体は、ドープ濃度が異なるために屈折率が異なり、図１の１１３の部分もフォトニック結晶として働くからである。
但し、被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体のバンドギャップが、電子ブロック層１０５に隣接する部分における第一のｐ型半導体のバンドギャップと、異なっていた方が更に好ましい。
フォトニック結晶層１１０を構成する第一のｐ型半導体と、被覆層１１２を構成する第三のｐ型半導体との屈折率差が大きいほど、光の共振が強く、レーザ発振しやすくなるためである。
【００１９】
最後に、非発光再結合について、フォトニック結晶レーザ１００、比較例Ａ、比較例Ｃの比較を行う。
前述したように、空孔表面に位置するｐ型半導体のアクセプタドープ濃度が大きいほど、非発光再結合が多い。
比較例Ａは、比較例Ｃに比べてフォトニック結晶層１０６を構成するｐ型半導体のアクセプタドープ濃度が大きいため、空孔表面における非発光再結合が大きい。すなわち、比較例Ａのように電子漏れを抑制するために、ｐ型伝導層を構成するｐ型半導体のアクセプタドープ濃度を単に大きくすると、非発光再結合が増大してしまうことを意味する。
しかしながら、フォトニック結晶レーザ１００では、比較例Ｃと同等か、それ以上に非発光再結合を抑制できる。この理由は二つある。
一つ目は、フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６の下部において空孔表面に露出したｐ型半導体は、アクセプタドープ濃度の小さい被覆層１１２であるからである。
ｐ型伝導層中における電子濃度は活性層から離れるほど小さくなるため、主に非発光再結合が発生するのはフォトニック結晶層１０６の下部である。
フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１０６の下部が、比較例Ｃと同じくアクセプタドープ濃度の小さいｐ型半導体からなる被覆層１１２で形成されているため、比較例Ｃと同等の非発光再結合に抑制できる。
二つ目は、被覆層１１２が電子ブロック層１０５よりもアクセプタドープ濃度の小さいｐ型半導体であるため、被覆層１１２と電子ブロック層１０５の間が弱い逆バイアス状態になるためである。
逆バイアスにより、電子が電子ブロック層１０５から被覆層１１２に流れるのが妨げられ、結果として空孔表面における非発光再結合が抑制できる。
一方、比較例Ｃでは、被覆層１１２が存在しないために、逆バイアスが生じない。従って、フォトニック結晶レーザ１００は、比較例Ｃに比べて同等か、それ以上に非発光再結合を抑制できる。
被覆層１１２は、電子ブロック層１０５の上面を覆っていれば、非発光再結合を抑制できる。但し、図６（ａ）のようにフォトニック結晶層１０６中の空孔側面も覆っていた方が、空孔側面における非発光再結合が抑制できるため、更に好ましい。
【００２０】
以上より、本発明を適用したフォトニック結晶レーザ１００は、電子漏れの抑制、光閉じ込めの向上、非発光再結合の抑制を両立できるフォトニック結晶レーザとなっている。
本実施形態の面発光レーザにおける半導体や活性層は、一般の半導体レーザに使用されるものを使用することができる。
例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどである。但し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体を用いた場合、電子漏れや表面再結合が特に大きいため、窒化物半導体からなるフォトニック結晶レーザに用いた方が、本発明の効果が大きい。
【実施例】
【００２１】
以下に、本発明の実施例について説明する。以下の実施例は、実施形態１で述べた、フォトニック結晶面発光レーザの構造および製造方法を具体的に示すものである。
［実施例１］
実施例１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の断面図は図１である。そして、それぞれの層の組成、ドープ濃度、膜厚、フォトニック結晶の構成は図３に示してある。
実施形態で説明したしたように、本実施例に示すフォトニック結晶レーザ１００は、比較例Ａ、比較例Ｂ、比較例Ｃと比較して、電子漏れの抑制、光閉じ込めの向上、非発光再結合の抑制を両立できるフォトニック結晶レーザとなっている。実施例１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法を説明する。まず、ｎ型ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体を図３に示す層構成になるように、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ電子ブロック層１０５まで順次積層する。
ついで、後にフォトニック結晶層１１０となるｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎを１１０ｎｍ、後にフォトニック結晶層１１１となるｐ−ＧａＮを１１０ｎｍ、同じくＭＯＣＶＤ法を用いて積層する。
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。ここからフォトニック結晶の形成に移る。
【００２２】
まず、ＣＶＤによってＳｉＯ2からなる膜を成膜する。
次に、電子線リソグラフィ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、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２２０ｎｍ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、基板面内方向に周期的に配列された空孔が形成される。即ち、フォトニック結晶層１１０とフォトニック結晶層１１１が形成される。
【００２３】
その後、Ｖ族原子である窒素原子を含むＮＨ3ガス雰囲気中で、基板を９００℃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９００℃に到達したら温度を９００℃に保ち３０分間熱処理する。
この工程で、電子ブロック層１０５よりもドープ濃度の小さいｐ−ＧａＮからなる被覆層１１２が、電子ブロック層１０５の表面およびフォトニック結晶層１０６の空孔の側面に形成される。その理由を説明する。
ＡｌＮを結晶成長する際の成長温度は１４００℃以上であり、本工程のように９００℃に基板を加熱した場合、フォトニック結晶レーザ１００中のＡｌ原子はほとんど動かない。
【００２４】
一方、ＧａＮを結晶成長する際の成長温度は約１０００℃であるが、９００℃でもＧａ原子がわずかに表面拡散し、マストランスポートを起こす。
したがって、本熱処理工程では、フォトニック結晶層１１１の表面からＧａ原子がマストランスポートを起こし、電子ブロック層１０５の表面およびフォトニック結晶層１０６の空孔の側面にＧａ原子が移動する。
その後、Ｇａ原子はＮＨ3ガス中の窒素原子と反応し、電子ブロック層１０５の表面及びフォトニック結晶１０６の空孔の側面にｐ−ＧａＮからなる被覆層が形成される。
【００２５】
図７は、上述の製造工程のように電子線描画とドライエッチを用いて、ＧａＮ中に作製した孔の電子線写真である。
図７（ａ）が本熱処理工程を行う前の電子顕微鏡写真、図７（ｂ）が本熱処理工程後の電子線顕微鏡写真である。
両者を比較すると、熱処理工程の前後で、孔の形が変化しているのがわかる。特に孔底の形状が変化しており、Ｇａ原子が本熱処理工程にてマストランスポートを起こしていることがわかる。
なお、熱処理工程における加熱温度は８５０℃以上であればよい。図７（ｃ）、図７（ｄ）は、前述した熱処理工程において、加熱温度を８５０℃に変更した際の電子顕微鏡写真である。
図７（ｃ）が熱処理工程前、図７（ｄ）が熱処理工程後である。
図７より、９００℃の場合よりは孔の形の変化が小さいものの、８５０℃で熱処理を行った場合でも孔底の形状変化は生じていることがわかる。
実施例１では、フォトニック結晶層１１１をｐ−ＧａＮとしたが、ｐ−ＡｌＧａＮであってもよい。
なぜなら、フォトニック結晶層１１１がｐ−ＡｌＧａＮであっても、Ａｌ原子は動かず、Ｇａ原子のみが選択的にマストランスポートを起こすためである。
すなわち、フォトニック結晶層１１１はｐ−ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜＝ｘ＜１）であればよい。
【００２６】
つぎに、アクセプタであるＭｇの動きに注目する。
図８は、上述の製造工程のように電子線描画とドライエッチ、熱処理工程を用いて作製した空孔の電子線顕微鏡写真である。
なお、図中の鎖線より下の領域３００がアンドープ（ｕｄ−）ＧａＮ、上の領域３０１がＭｇをドープしたｐ−ＧａＮである。
ｕｄ−ＧａＮ３００に比べてＭｇドープされた領域３０１は明るく見えている。電子線顕微鏡写真のコントラストは、凹凸形状、組成、結晶性、磁性、電位などを反映したものである。
図７では、領域３００と領域３０１のＭｇ組成の違い及びそれによって生じる電位差によるものである。Ｍｇ濃度が高いほど明るく見えるので、電子線顕微鏡写真の明暗からＭｇ濃度を推測することができる。
図８より、熱処理工程によってＧａ原子がマストランスポートした部分（点線の円で囲った部分）のＭｇ濃度が低いことが分かる。従って、本熱処理工程によって形成されるｐ−ＧａＮ被覆層１１２のドープ濃度を、電子ブロック層１０５より小さくすることが可能となる。
【００２７】
以上のように、実施例１に示す製造方法では、窒素を含む雰囲気中で加熱する熱処理工程のみで、電子ブロック層１０５の表面およびフォトニック結晶層１０６の空孔の側面に、被覆層１１２を形成することができる。
被覆層１１２を形成する他の工程としては、実施例２に示すように、多段階の再成長を用いる方法がある。
しかし、再成長させない部分をマスクで覆う必要があるなど、製造工程が複雑となる。従って、熱処理工程のみで被覆層１１２を形成可能な、実施例１に示す製造工程にて製造することが好ましい。
なお、被覆層１１２の形状は、熱処理工程の条件によって変えることが出来る。例えば、熱処理工程の温度を高くすれば、マストランスポートする原子の量が増えるため、被覆層１１２が大きくなり、図６（ａ）や図６（ｂ）のような構造が作製できる。
【００２８】
また、被覆層１１２はｐ−ＧａＮ、フォトニック結晶層１１０はｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎと、両者はバンドギャップが異なるｐ型半導体から形成されている。前述したように、被覆層１１２とフォトニック結晶層１１０を構成するｐ型半導体のバンドギャップが異なっていた方が、屈折率差によってレーザ発振しやすくなるため好ましい。
製造工程の最後に、再度ＭＯＣＶＤによってｐ型コンタクト層１０７を成長させる。
そして、電子線蒸着によってＮｉ１０ｎｍ／Ａｕ４０ｎｍからなるｐ型電極１０８とＴｉ２０ｎｍ／Ａｌ１００ｎｍからなるｎ型電極１０９を付けることで、フォトニック結晶レーザ１００を製造することができる。
実施例１においては、２層からなるフォトニック結晶層１０６を例示したが、ＭＯＣＶＤ法の成長条件を変えれば、図４のように３層以上のフォトニック結晶層１０６を製造できることは明らかである。
【００２９】
［実施例２］
実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザ２００の断面図は図９である。
そして、それぞれの層の組成、ドープ濃度、膜厚、フォトニック結晶の構成は図１０に示してある。
実施例２に示すフォトニック結晶面発光レーザ２００は、実施例１に示すフォトニック結晶面発光レーザ１００に対して、フォトニック結晶層２０６の構成のみが異なる。図９、図１０において、実施例１と同じ構成を持つ層には、図１、図３と同一の符号を付加している。
フォトニック結晶層２０６は、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎフォトニック結晶層２１０と、フォトニック結晶層２１０よりもｐ型半導体の充填率が低いｐ−ＧａＮフォトニック結晶層２１１からなる。
フォトニック結晶層２１１のｐ型半導体の充填率を、フォトニック結晶層２１０よりも低くした方が、ｐ型電極１０８による吸収が少なくなるため好ましい。これは以下の理由による。
【００３０】
ｐ型電極１０８による吸収を減らすには、電場分布をｐ型電極１０８から遠ざければよい。
フォトニック結晶層２１１よりもフォトニック結晶層２１０の方がｐ型電極より遠いため、フォトニック結晶層２１１よりもフォトニック結晶２１０側に電場分布を寄せればよい。
したがって、フォトニック結晶層２１０の有効屈折率よりも、フォトニック結晶層２１１の有効屈折率を低くすれば良いことが分かる。
有効屈折率は、ｐ型半導体の材料屈折率と充填率で決定されるため、フォトニック結晶層２１１のｐ型半導体の充填率をフォトニック結晶層２１０よりも小さくすれば、ｐ型電極１０８による吸収を減らすことができる。
実施例２では、フォトニック結晶層２０６が２層からなる構成を示したが、３層以上からなっていても良い。
図１１のように電子ブロック層１０５から外側に向かって、ｐ型半導体の充填率が減少するように変化していれば、ｐ型電極１０８による吸収を減らすことができる。
【００３１】
つぎに、実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザ２００の製造方法を説明する。
まず、実施例１と同様に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ電子ブロック層１０５まで順次積層する。
その後にフォトニック結晶層２１０となるｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎを１１０ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて積層する（図１２（ａ））。
次に、実施例１と同様に電子線リソグラフィとドライエッチングによってフォトニック結晶層２１０を作製する（図１２（ｂ））。
続いて、フォトニック結晶層２１０の空孔以外の上面をマスクし、ＭＯＣＶＤ法によって、電子ブロック層１０５の上面に被覆層１１２を作製する（図１２（ｃ））。
この際、被覆層１１２のアクセプタドープ濃度が電子ブロック層１０５のアクセプタドープ濃度よりも小さくなるように、Ｍｇ源であるＣＰ2Ｍｇの流量を、電子ブロック層１０５を成長する際のＣＰ2Ｍｇの流量よりも少なくしておく。
マスクを除去後、今度は後にフォトニック結晶層２１１となるｐ−ＧａＮを１１０ｎｍ、ＭＯＣＶＤを用いてフォトニック結晶層２１０上に再成長させる（図１２（ｄ））。
【００３２】
続いて、同様に電子線リソグラフィとドライエッチングによってフォトニック結晶層２１１を作製する（図１２（ｅ））。
この際、フォトニック結晶２１１の方が、フォトニック結晶２１０よりも孔径が大きくなるように作製する。
最後に、再度ＭＯＣＶＤによってｐ型コンタクト層１０７を成長させ、電子線蒸着によってｐ型電極１０８とｎ型電極１０９を付けることで、フォトニック結晶レーザ２００を製造することができる（図１２（ｆ））。
実施例２に示す製造工程は、実施例１よりも製造工程が複雑だが、フォトニック結晶層２１０とフォトニック結晶層２１１の孔径を独立に制御することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１００：フォトニック結晶面発光レーザ
１０１：基板
１０２：ｎ型クラッド層
１０３：活性層
１０４：ｐ型伝導層
１０５：電子ブロック層
１０６：フォトニック結晶層
１０７：ｐ型コンタクト層
１０８：ｐ型電極
１０９：ｎ型電極
１１２：被覆層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層が、少なくともこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層は、第一のｐ型半導体により形成されたバンドギャップの異なる複数の層を備え、
前記第一のｐ型半導体による複数の層のバンドギャップは、前記電子ブロック層を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さく、該複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的にそのバンドギャップが減少するように積層され、
該積層された層の面内方向に形成された高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体が設けられていることを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
前記第三のｐ型半導体のバンドギャップが、前記電子ブロック層に隣接する部分における前記第一のｐ型半導体のバンドギャップと異なることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記２次元フォトニック結晶層は、前記２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、前記第一のｐ型半導体の側面を覆うように、前記第三のｐ型半導体が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記２次元フォトニック結晶層は、前記複数の層における前記第一のｐ型半導体の充填率が、
前記複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的に減少するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３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。
【請求項５】
前記第一のｐ型半導体、前記第二のｐ型半導体、前記第三のｐ型半導体は、いずれも窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４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。
【請求項６】
請求項１乃至５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を製造するフォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第三のｐ型半導体を設けるに際し、
Ｖ族原子を含むガス雰囲気中で加熱する熱処理により、該電子ブロック層の表面を該第三のｐ型半導体によって覆うようにする工程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。
【請求項７】
前記第一のｐ型半導体にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜＝ｘ＜１）が用いられ、
前記第三のｐ型半導体にＧａＮが用いられ、
前記熱処理におけるＶ族原子に窒素原子が用いられていることを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【請求項８】
前記熱処理における加熱温度が８５０℃以上であることを特徴とする請求項７に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【請求項１】
基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、電子ブロック層、２次元フォトニック結晶層が、少なくともこの順に積層されているフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層は、第一のｐ型半導体により形成されたバンドギャップの異なる複数の層を備え、
前記第一のｐ型半導体による複数の層のバンドギャップは、前記電子ブロック層を構成する第二のｐ型半導体のバンドギャップよりも小さく、該複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的にそのバンドギャップが減少するように積層され、
該積層された層の面内方向に形成された高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第二のｐ型半導体よりもアクセプタドープ濃度の小さい第三のｐ型半導体が設けられていることを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
前記第三のｐ型半導体のバンドギャップが、前記電子ブロック層に隣接する部分における前記第一のｐ型半導体のバンドギャップと異なることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記２次元フォトニック結晶層は、前記２次元フォトニック結晶層の該低屈折率部には、前記第一のｐ型半導体の側面を覆うように、前記第三のｐ型半導体が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記２次元フォトニック結晶層は、前記複数の層における前記第一のｐ型半導体の充填率が、
前記複数の層の積層方向に向かって段階的ないしは連続的に減少するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３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。
【請求項５】
前記第一のｐ型半導体、前記第二のｐ型半導体、前記第三のｐ型半導体は、いずれも窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４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。
【請求項６】
請求項１乃至５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を製造するフォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
前記電子ブロック層の表面を覆うように、前記第三のｐ型半導体を設けるに際し、
Ｖ族原子を含むガス雰囲気中で加熱する熱処理により、該電子ブロック層の表面を該第三のｐ型半導体によって覆うようにする工程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。
【請求項７】
前記第一のｐ型半導体にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜＝ｘ＜１）が用いられ、
前記第三のｐ型半導体にＧａＮが用いられ、
前記熱処理におけるＶ族原子に窒素原子が用いられていることを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【請求項８】
前記熱処理における加熱温度が８５０℃以上であることを特徴とする請求項７に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−４９０６（Ｐ２０１３−４９０６Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３７４８１（Ｐ２０１１−１３７４８１）
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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