(57)【要約】【課題】選択横方向成長を用いた場合であっても、結合領域での欠陥を含む選択横方向成長領域上に共振器を構成でき、大型化を抑制することが可能となる２次元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、活性層と２次元フォトニック結晶層を備えた２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、  前記基板上に設けられたパターンを有する構造体と、  前記構造体をマスクとして、前記基板が露出している面から該構造体を覆うように選択横方向成長によって半導体同士を結合させて形成された半導体層と、を備え、  前記活性層と前記２次元フォトニック結晶層は、前記半導体層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層には、フォトニック結晶欠陥が導入されており、  該フォトニック結晶欠陥によって、前記半導体同士を結合させた領域に発生した結晶欠陥の上部における前記２次元フォトニック結晶層中の共振光の電界強度を弱める構成を備えている。【選択図】            図１
2011014655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、活性層と２次元フォトニック結晶層を備えた２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記基板上に設けられたパターンを有する構造体と、
前記構造体をマスクとして、前記基板が露出している面から該構造体を覆うように選択横方向成長によって半導体同士を結合させて形成された半導体層と、を備え、
前記活性層と前記２次元フォトニック結晶層は、前記半導体層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層には、フォトニック結晶欠陥が導入されており、
該フォトニック結晶欠陥によって、前記半導体同士を結合させた領域に発生した結晶欠陥の上部における前記２次元フォトニック結晶層中の共振光の電界強度を弱めることを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
前記構造体は、前記２次元フォトニック結晶層から前記基板側に放射された光を、前記活性層の波長帯域で前記基板の垂直方向に反射させる構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記フォトニック結晶欠陥が、前記２次元フォトニック結晶層の母材と同じ材料によって構成さ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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記フォトニック結晶欠陥が、前記２次元フォトニック結晶層の母材より低屈折率材料、または空孔によって構成さ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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
前記フォトニック結晶欠陥が、フォトニック結晶で構成されており、
該フォトニック結晶の１周期の大きさが、前記２次元フォトニック結晶層の１周期の大きさと異なっ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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項６】
前記フォトニック結晶欠陥が、フォトニック結晶で構成されており、
該フォトニック結晶の孔形状が、前記２次元フォトニック結晶層の孔形状と異なっ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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項７】
前記フォトニック結晶欠陥が、フォトニック結晶で構成されており、
該フォトニック結晶の孔内の屈折率が、前記２次元フォトニック結晶層の孔内の屈折率と異なっ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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項８】
前記構造体が、誘電体によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項９】
前記構造体が、金属によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１０】
前記構造体が、前記活性層の波長付近で反射率の最大値を有する誘電体多層膜によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１１】
前記構造体が、フォトニック結晶によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元フォトニック結晶によって発振する面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやＬＤに利用される窒化物半導体では高品質単結晶窒化物半導体基板が非常に高価であるため、サファイアなどの異種基板を用いて窒化物半導体を成長する方法が利用されている。
しかし、異種基板上に成長した窒化物半導体中には、窒化物半導体と異種基板との格子定数差や熱膨張係数差などを起因とした多数の結晶欠陥を含んでいる。
このような結晶欠陥は、デバイスの特性に影響を与えることから低減することが重要である。
結晶欠陥低減の方法として、基板に対し窒化物半導体を横方向に成長させる方法が検討されている。
この方法では、結晶欠陥を多数含むＧａＮにＳｉＯ２などの窓部を有するマスクを形成し、窓部からＧａＮを選択的に横方向に成長する手法が採られている。
これによると、窓部の欠陥はそのままウェハ上部に伝播するが、マスク上ではマスクによって欠陥の伝播が妨げられる。そのため、マスク上の領域で高品質なＧａＮを得ることができる。
【０００３】
しかしながら、このような選択横方向成長によって高品質な窒化物半導体結晶は得られるものの、マスク上の窒化物半導体同士が結合する部分では結晶欠陥が発生することとなる。この結晶欠陥は発光デバイスにおいては非発光領域となり、光の吸収領域となる。
このようなことから、特許文献１では、選択横方向成長での結合領域を避けた選択横方向成長領域上に、端面発光型レーザを配置している。
これにより、光の損失を減少させ、レーザの光学特性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３９６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１のような端面発光レーザの構成によれば、１次元の共振方向しかもたないため、選択横方向成長での結合領域に発生した欠陥を避けた選択横方向成長領域上に、デバイスを配置することができる。
すなわち、欠陥と同一面内方向の距離が確保できればよく、欠陥を横切る面内方向の横方向成長領域のサイズが小さくても共振器を配置することができる。
【０００６】
しかしながら、２次元フォトニック結晶を共振器として用いる２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元の面内方向に光を帰還増幅するため、２次元的に広い領域を必要とする。
特許文献１のように選択横方向成長での結合領域を避けて、共振器としての２次元フォトニック結晶を配置するには、選択横方向成長領域が狭すぎ、帰還増幅が得られない。
そのため、２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、結合部を避けた選択横方向成長領域片側だけでなく、結合部を含む領域全体を利用しなければ、共振器としての２次元フォトニック結晶を配置することが困難である。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、選択横方向成長を用いた場合であっても、結合領域での欠陥を含む選択横方向成長領域上に共振器を構成することができ、大型化を抑制することが可能となる２次元フォトニック結晶面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、つぎのように構成した２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、基板上に、活性層と２次元フォトニック結晶層を備えた２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記基板上に設けられたパターンを有する構造体と、
前記構造体をマスクとして、前記基板が露出している面から該構造体を覆うように選択横方向成長によって半導体同士を結合させて形成された半導体層と、を備え、
前記活性層と前記２次元フォトニック結晶層は、前記半導体層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層には、フォトニック結晶欠陥が導入されており、
該フォトニック結晶欠陥によって、前記半導体同士を結合させた領域に発生した結晶欠陥の上部における前記２次元フォトニック結晶層中の共振光の電界強度を弱めることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、選択横方向成長を用いた場合であっても、結合領域での欠陥を含む選択横方向成長領域上に共振器を構成することができ、大型化を抑制することが可能となる２次元フォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を説明する図であり、図１（ａ）は本発明を適用した面発光レーザの模式図、図１（ｂ）はフォトニック結晶中の電界分布を模式的に示した断面図。
【図２】本発明の実施形態における選択横方向成長をストライプ状パターンで行った場合の形成工程を示す模式図。
【図３】本発明の実施形態における選択横方向成長を島状パターンで行った場合の形成工程を示す模式図。
【図４】本発明の実施形態における選択横方向成長を格子パターンで行った場合の形成工程を示す模式図。
【図５】本発明の実施例１における２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を説明する模式図。
【図６】本発明の実施例２における２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を説明する模式図。
【図７】本発明の実施例３における２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を説明する模式図。
【図８】本発明の実施例４における２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を説明する模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を用いて、本発明の実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成について説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の面発光レーザは、基板１０１、パターンを有する構造体１０２、該構造体１０２の無い前記基板の露出した面から前記構造体１０２を覆うように選択横方向成長した半導体層１０３を備える。
さらに、この半導体層上に、活性層１０４、２次元フォトニック結晶層１０５、該２次元フォトニック結晶層中に形成されたフォトニック結晶欠陥１０６を備える。
図１において電極は省略している。
本実施形態においては、構造体を覆うように選択横方向成長によって半導体同士を結合させた領域に発生する結晶欠陥と、２次元フォトニック結晶層に導入した欠陥と、の位置関係を意図的に制御することにより、電界強度分布を制御するように構成されている。
すなわち、結合部の結晶欠陥では光吸収が大きいため、２次元フォトニック結晶に欠陥を設けることにより、結合部の結晶欠陥では電界強度分布を局所的に小さくすることができる。
【００１２】
これらについて、さらに図１（ｂ）を用いて説明する。
図１（ｂ）はフォトニック結晶欠陥２０３を導入したフォトニック結晶層における電界強度分布を示したものである。
フォトニック結晶の周期性を乱すようにフォトニック結晶欠陥２０３を導入する。
共振光がフォトニック結晶欠陥を通過し、別のフォトニック結晶に入射する際に位相がずれる。
この位相のずれた共振光と別方向からの共振光同士が干渉し電界を打ち消し合うため電界強度が弱められる。
このように、結晶欠陥の上部における２次元フォトニック結晶層中の共振光の電界強度が弱められ、結晶欠陥による共振光の吸収が低減する。
図１（ｂ）では中心部位で電界強度が弱められている。また、位相をずらす効果があればフォトニック結晶欠陥の材質、数、配置関係は特に限定されない。
上記構成により、横方向成長を用いて結晶欠陥が生じた場合であっても、横方向成長領域全体に共振器を配置し、十分な帰還増幅を得ることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することが可能となる。
【００１３】
本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける上記した基板１０１は、例えば、ＧａＮ，Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３，ＺｎＯなどで構成することができる。
ここでは、基板１０１上にパターンを有する構造体１０２が形成される。この構造体１０２と基板上の間に（第２の）半導体層を設けるようにしても良い。
また、構造体１０２のパターン形状は、ストライプ状、島状、格子状などを用いることができる。
島の形状、格子状での窓の形状は多角形、円形などである。構造体１０２の大きさは、２次元フォトニック結晶面発光レーザを配置できる程度の広さがあれば良く、１０μｍ〜１００μｍが望ましい。
構造体１０２の膜厚は特に限定されないが、構造体１０２の膜厚を厚くし過ぎると選択横方向成長時に半導体層１０３が結合せず平坦にならない。そのため、膜厚は０．０５μｍ〜３μｍが好ましい。
【００１４】
構造体１０２の材料は、半導体層１０３の製膜温度に耐えられる材質であれば良く、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＭｇＯなどの誘電体や、半導体層１０３の製膜温度より融点の高い金属で、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｔａなどである。
また、構造体１０２は、２次元フォトニック結晶層から基板側に放射された光を、活性層の波長帯域で前記基板の垂直方向に反射させることが可能な構造とすることができる。
その際、構造体１０２の材料は、例えば以下のものが挙げられる。
１つ目としては、半導体層１０３より屈折率の低い誘電体である。低屈折率の誘電体としてはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ，ＳｉＯＮ等である。
２つ目としては、多層膜である。ここで多層膜とは、活性層の波長λに対し膜厚がλ／４ｎである、異なる屈折率を持つ２種類以上の積層体から成るものである。
３つ目として、半導体層１０３の積層温度より融点が高く活性層の波長付近で高い反射率を持つ金属である。これは、例えば、活性層の波長付近で反射率の最大値を有する誘電体多層膜によって構成することができる。
４つ目として、光の反射効果のあるフォトニック結晶である。このフォトニック結晶は、上記の誘電体、金属等によって構成することができる。
なお、上記に掲げた反射体を組合せた構造体であっても良い。
【００１５】
半導体層１０３は、構造体１０２をマスクとして前記基板１０１が露出している面から選択横方向成長を行うことにより形成する。
半導体層１０３の結合する領域に結晶欠陥Ｄ１が発生する。また、結晶欠陥Ｄ１は面発光レーザの上部まで貫通している。
【００１６】
つぎに、構造体１０２の形状パターンと半導体層１０３の形成工程について説明する。
図２（ａ）−図２（ｃ）は、選択横方向成長をストライプ状パターンで行った場合の形成工程である。
図２に示す形成工程においては、まず、基板１０１上にストライプ状パターンの構造体１０２を形成する（図２（ａ））。
次に、基板１０１の露出している面から構造体１０２上に半導体層１０３を横方向に成長させる（図２（ｂ））。
そして、構造体１０２を完全に覆うように半導体層１０３を横方向成長させ結合させる（図２（ｃ））。この結合した部分で、線状に結晶欠陥Ｄ２が発生する。
【００１７】
図３（ａ）−図３（ｃ）は、選択横方向成長を島状パターンで行った場合の形成工程である。
図３に示す形成工程においては、まず、基板１０１上に島状に点在する構造体１０２を形成する（図３（ａ））。
図３（ａ）に示す工程では四角形状のパターンで図示しているが、円や、多角形などでも良い。
次に、基板１０１の露出している面から構造体１０２上を囲うように半導体層１０３を横方向に成長させる（図３（ｂ））。
そして、構造体１０２上で半導体層１０３を結合させる（図３（ｃ））。この結合した部分で、点状に結晶欠陥Ｄ３が発生する。
【００１８】
図４（ａ）−図４（ｃ）は、選択横方向成長を格子状パターンで行った場合の形成工程である。
図４に示す形成工程においては、まず、基板１０１上に格子パターンを持つ構造体１０２を形成する（図４（ａ））。
次に、構造体１０２の窓部から半導体層１０３を横方向成長させる（図４（ｂ））。
そして、隣接する窓部から選択横方向成長した半導体層１０３同士を結合させる（図４（ｃ））。この結合した部分で、格子状の結晶欠陥Ｄ４が発生する。
ここで、半導体層１０３の厚みは特に限定されないが、構造体１０２で共振光を反射する場合、表面に放射される共振光と位相が揃う様な厚さに設定するのが好ましい。
本実施形態において、半導体層１０３は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法（ＬＰＥ法）、等で形成することができる。
また、活性層１０４は、半導体レーザで一般的に用いられるものと同等のものを用いることができる。
例えば、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ，ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰなどの多重量子井戸構造である。
【００１９】
本実施形態において、２次元フォトニック結晶層１０５は、活性層１０４の上下に配置されていてもよく、また活性層１０４の内部に作りこまれても良い。
また、複数配置しても良い。
フォトニック結晶欠陥１０６の構造は特に制限はなく、例えば、材料が、フォトニック結晶１０５と同じ母材や、空孔や、母材より低屈折率材料、等で構成することができる。
また、フォトニック結晶層１０５の孔形状や孔径、孔内の屈折率が異なるフォトニック結晶であっても良い。フォトニック結晶層１０５の１周期の大きさと異なるフォトニック結晶であっても良い。
本発明の効果を得るために、フォトニック結晶欠陥１０６は、２次元フォトニック結晶層１０５中に１つ、または複数配置される。
【実施例】
【００２０】
以下に本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図５を用いて、本発明の実施例１の構成について説明する。
図５（ａ）−（ｄ）は、本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザの形成過程と完成後の構成を示す模式図である。
本実施例において、半導体層はＭＯＣＶＤ法を用いて積層する。基板としてのサファイア基板３０１上に低温バッファ層３０２を２０ｎｍ堆積させその上に、厚さ２μｍのＧａＮバッファ層３０３を形成する。
図５（ａ）に示すように、一辺１００μｍ、厚さ１００ｎｍの四角形状の構造体としてのＳｉＯ２３０４をフォトリソグラフィーとＰＣＶＤで形成する。
ＳｉＯ２３０４を選択横方向成長用のマスクとして用い、ＧａＮバッファ層３０３が露出している面から、ＳｉＯ２３０４を覆うように半導体層としてのｎ型ＧａＮ層３０５で選択横方向成長させる。
図５（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層３０５はＳｉＯ２３０４上中央付近で結合し、この結合部で点状の結晶欠陥Ｄ３が発生する。
【００２１】
ここで、ｎ型ＧａＮ層３０５上に、クラッド層３０６として厚さ１μｍのｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎを積層する。
続いて、井戸層として厚さ２ｎｍのＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ、バリア層として厚さ５ｎｍのＧａＮから構成され、発光波長４００ｎｍの多重量子井戸構造の活性層３０７を３周期積層する。
さらに、ｎ型ＧａＮ層から注入される電子をブロックし、活性層３０７中に閉じ込める電子ブロック層３０８を厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎで積層する。
次に、フォトニック結晶層３０９として厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＮを積層する。
フォトニック結晶層３０９にフォトニック結晶欠陥３１０を含むフォトニック結晶構造を電子ビームリソグラフィーとドライエッチングで作製する。
フォトニック結晶層３０９は周期的に屈折率の異なる媒質が配列しており、高屈折率媒質としてフォトニック結晶層３０９の母材であるｐ型ＧａＮで、低屈折率媒質として空孔で構成されている。空孔の深さは２００ｎｍである。
周期を１６０ｎｍとすることで、フォトニック結晶層３０９中の共振光が回折されて垂直方向に出射される。
【００２２】
図５（ｃ）に示すように、フォトニック結晶欠陥３１０は空孔を設けずフォトニック結晶３０９の母材であるｐ型ＧａＮで構成している。
フォトニック結晶欠陥３１０の配置は結晶欠陥Ｄ５を中心に複数配置する。
結晶欠陥Ｄ５上の共振光の電界強度はフォトニック結晶欠陥３１０の作用によって弱められ、結晶欠陥Ｄ５による共振光の吸収が低減する。
フォトニック結晶層３０９上に電極を形成するためのコンタクト層３１１としてｐ型ＧａＮ層を形成する。
ｎ電極３１２を形成するため、ｎ型ＧａＮ層をドライエッチングで露出させる。
ｎ電極３１２としてＴｉ（３０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）を蒸着で形成する。最後にｐ電極３１３としてＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）を蒸着で形成することで、図５（ｄ）の２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
ｎ電極３１２、ｐ電極３１３間に電圧を印加することで活性層３０７にキャリアが注入され発光する。
【００２３】
［実施例２］
図６を用いて、本発明の実施例２の構成について説明する。
図６（ａ）−（ｄ）は、本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザの形成過程と完成後の構成を示す模式図である。
本実施例において、半導体層はＭＯＣＶＤ法を用いて積層する。基板としてのｎ型ＧａＮ基板４０１上に、図５（ａ）の様に幅１００μｍ、厚さ１００ｎｍのストライプ状の構造体としてのＳｉＯ２４０４をフォトリソグラフィーとＰＣＶＤで形成する。
ＳｉＯ２４０４を選択横方向成長用のマスクとして用いる。ｎ型ＧａＮ基板４０１が露出している面から、ＳｉＯ２４０４を覆うように半導体層としてのｎ型ＧａＮ層４０５で選択横方向成長させる。
ｎ型ＧａＮ層４０５はＳｉＯ２４０４上中央付近で結合し、図６（ｂ）で示すように、結合部で線状の結晶欠陥Ｄ２が発生する。
ｎ型ＧａＮ層から上の積層は実施例と１と同じである。フォトニック結晶層４０９内のフォトニック結晶欠陥４１０はＳｉＯ２から構成され、結晶欠陥Ｄ２上に複数配置する。
結晶欠陥Ｄ２上の共振光の電界強度は、フォトニック結晶欠陥４１０の作用によって弱められ、結晶欠陥Ｄ２による共振光の吸収が低減する。
【００２４】
［実施例３］
図７を用いて、本発明の実施例３の構成について説明する。
図７（ａ）−（ｄ）は、本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザの形成過程と完成後の構成を示す模式図である。
本実施例は、実施例１と基本的な構成は同じである。構造体としてのＳｉＯ２マスクの形状が格子状である。
結晶欠陥Ｄ４は図５（ｃ）の様に格子状に発生する。結晶欠陥Ｄ４は格子状に存在するため、フォトニック結晶欠陥３１０は結晶欠陥Ｄ４の周囲に配置する。
【００２５】
［実施例４］  
図８を用いて、本発明の実施例４の構成について説明する。
本実施例においては、図８に示すように、実施例１の形態に構造体としてマスクをＳｉＯ２／ＳｉＮ多層膜５０２で構成している。
本実施例では、半導体層としてのｎ型ＧａＮ層の膜厚を制御する。
そして、２次元フォトニック結晶層３０９から放射される下部放射光Ｌ２を、ＳｉＯ2／ＳｉＮ多層膜５０２で反射させ、反射光Ｌ３と上部放射光Ｌ１の位相をそろえることで、表面放射光Ｌ４として取り出すように構成されている。
【符号の説明】
【００２６】
１０１：基板
１０２：構造体
１０３：半導体層
１０４：活性層
１０５：２次元フォトニック結晶
１０６：フォトニック結晶欠陥
Ｄ１：結晶欠陥
２０１：高屈折率媒質
２０２：低屈折率媒質
２０３：フォトニック結晶欠陥
２０４：電界強度分布
【図１】
2011014655.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011014655.tif 000008
【図７】
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【図８】
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