(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＮ層の細孔の上部を、マストランスポートによる熱処理工程で塞いでも、閉塞部表面の歪応力分布が改善され、その上の活性層のゲインスペクトルのピーク波長分布の改善も可能な分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法を提供する。【解決手段】上記製造方法において、基板上に、順に半導体層と、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層とを、結晶成長により形成した窒化物半導体構造を用意する工程と、  ＧａＮ層側の主面に、面内方向には周期配列を有し、垂直方向にはＧａＮ層を貫通してＩｎＧａＮ層まで到達する細孔を形成する工程と、  熱処理温度が９５０℃以上の窒素元素を含む雰囲気で熱処理し、マストランスポートを生じさせ、細孔の細孔上部を、ＧａＮ層から移動する原子で塞ぎ、ＩｎＧａＮ層にフォトニック結晶を形成する熱処理工程と、  細孔上部を塞いだＧａＮ層の上に、活性層を結晶成長により形成する工程と、を有する。【選択図】            図１
2013135013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法であって、
基板上に、順に半導体層と、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層とを、結晶成長により形成した窒化物半導体構造を用意する工程と、
前記窒化物半導体構造の前記ＧａＮ層側の主面に、面内方向には周期配列を有し、かつ、垂直方向には前記ＧａＮ層を貫通して前記ＩｎＧａＮ層まで到達する細孔を形成する工程と、
前記細孔を有する前記窒化物半導体構造を、熱処理温度が９５０℃以上の窒素元素を含む雰囲気で熱処理することにより、マストランスポートを生じさせ、前記細孔の細孔上部を、前記ＧａＮ層から移動する原子によって塞ぎ、閉塞部を形成することで、前記ＩｎＧａＮ層にフォトニック結晶を形成する熱処理工程と、
前記熱処理工程に続いて、前記細孔上部を塞いだ前記ＧａＮ層の上に、活性層を結晶成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法。
【請求項２】
前記熱処理工程前の前記ＧａＮ層の厚さをｔＧａＮとし、前記細孔の前記主面の面内方向の面積充填率をｆ、前記細孔上部を塞いだ閉塞部の厚さをｔｃｏｖ、としたとき、
前記ｔＧａＮは、次の関係式を満足することを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法。
ｔＧａＮ≧ｆｔｃｏｖ／（１−ｆ）
【請求項３】
前記ｔＧａＮは、次の関係式を満足することを特徴とする請求項２に記載の分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法。
ｔＧａＮ≦｛ｆｔｃｏｖ／（１−ｆ）｝＋ｔｃｏｖ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法に関するものである。
特に、ＩｎＧａＮと空孔でフォトニック結晶層を形成し、そのフォトニック結晶層の近傍に活性層を有する分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザは、活性層の近傍に配置したフォトニック結晶層が生み出す分布帰還効果によって発振するレーザである。この分布帰還効果を大きくすることは、レーザの閾値低下や共振器の小型化につながる。分布帰還効果を大きくする方法には２つある。
１つは、フォトニック結晶を構成する高屈折率媒質と低屈折率媒質の屈折率差を大きくする方法である。窒化物半導体レーザの場合、ＩｎＧａＮと空孔でフォトニック結晶を形成すると、分布帰還効果を大きくできる。
分布帰還効果を大きくするもう１つの方法は、活性層とフォトニック結晶層の距離を近づけることである。
それら２つの方法を同時に施したようなレーザ、すなわち、ＩｎＧａＮと空孔からなるフォトニック結晶層を、活性層の近傍に形成した窒化物半導体フォトニック結晶レーザは、閾値の低下や素子サイズの小型化が期待できる。
【０００３】
フォトニック結晶の上に、活性層を形成する方法としては、半導体層の表面に細孔を形成した後、細孔上部のみを半導体で塞いで空孔を形成し、その上に活性層を結晶成長させる方法がある。
細孔上部を塞ぐ方法として、特許文献１には、マストランスポートを利用した製造方法が開示されている。
具体的には、ＧａＮ層表面に周期配列された細孔を形成後、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行う。それにより、マストランスポートによって細孔上部をＧａＮで塞ぐことができる。
この特許文献１に開示された方法では、細孔を塞ぐＧａＮの厚さを薄くすることが可能なため、フォトニック結晶層と活性層の距離が近い構造を作製することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１１７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザの分布帰還効果を大きくするには、ＩｎＧａＮと空孔からなるフォトニック結晶が、効果的である。
ＩｎＧａＮ層表面に形成された細孔に対しても、特許文献１に開示された方法を使って、細孔上部を塞ぎ、閉塞部を形成することは可能である。
しかしながら、その閉塞部の組成は、ＩｎＧａＮではなく、ＧａＮとなる。これは、Ｇａ原子のマストランスポートが生じる熱処理温度において、Ｉｎは蒸発するためである。
マストランスポートによって、孔を塞いだ部分のＧａＮは、結晶中の歪応力がすべて緩和された状態である。なぜなら、孔を塞いだ部分のＧａＮの下には、空孔が存在し、フリースタンディングな状態だからである。
一方で、孔が形成されていなかったＩｎＧａＮ領域においては、ＩｎＧａＮ層の下地であるＧａＮ層との格子ミスマッチに起因する歪応力が、結晶中に残っている。
つまり、マストランスポート後の半導体の表面には、孔の周期性に応じた歪応力分布が面内方向に形成される。
【０００６】
このように面内方向に歪応力分布が形成された表面に活性層を成長させると、その歪応力分布に応じてゲインスペクトルのピーク波長にも面内分布が形成される。
すなわち、歪応力が残っているＩｎＧａＮ領域の上に成長させた活性層のゲインスペクトルのピーク波長は、歪応力が残っていないフリースタンディングなＧａＮの上に成長させた領域のピーク波長よりも、長波側に存在する。
このように、活性層のゲインスペクトルが、共振方向（面内方向）において分布をもつことは、活性層の場所によって、得られるゲインが異なることとなり、これは、レーザの特性を悪化させるという課題を有することとなる。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、ＩｎＧａＮ層に形成された細孔の上部を、マストランスポートによる熱処理工程で塞いだ場合においても、閉塞部表面の歪応力分布が改善され、
さらに、その上に結晶成長した活性層のゲインスペクトルのピーク波長分布も改善されることが可能となる分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザ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】
本発明の分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法は、
基板上に、順に半導体層と、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層とを、結晶成長により形成した窒化物半導体構造を用意する工程と、
前記窒化物半導体構造の前記ＧａＮ層側の主面に、面内方向には周期配列を有し、かつ、垂直方向には前記ＧａＮ層を貫通して前記ＩｎＧａＮ層まで到達する細孔を形成する工程と、
前記細孔を有する前記窒化物半導体構造を、熱処理温度が９５０℃以上の窒素元素を含む雰囲気で熱処理することにより、マストランスポートを生じさせ、前記細孔の細孔上部を、前記ＧａＮ層から移動する原子によって塞ぎ、閉塞部を形成することで、前記ＩｎＧａＮ層にフォトニック結晶を形成する熱処理工程と、  前記熱処理工程に続いて、前記細孔上部を塞いだ前記ＧａＮ層の上に、活性層を結晶成長により形成する工程と、
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、ＩｎＧａＮ層に形成された細孔の上部を、マストランスポートによる熱処理工程で塞いだ場合においても、閉塞部表面の歪応力分布が改善され、
さらに、その上に結晶成長した活性層のゲインスペクトルのピーク波長分布も改善されることが可能となる分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザ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】実施形態１における分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法を説明する断面図である。
【図２】熱処理工程における熱処理温度と閉塞部の厚さの関係を示した図である。
【図３】実施形態１における、熱処理工程後の窒化物半導体構造を説明する図である。
【図４】実施形態１における、ＧａＮ層の厚さによる熱処理工程後の窒化物半導体構造を説明する断面図である。
【図５】実施例１における製造方法の一例を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態における分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法について説明する。
［実施形態１］
図１を用いて、本発明を適用した実施形態１における基板上に積層して形成された窒化物半導体構造を備えた分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法を説明する。
（窒化物半導体構造の結晶成長工程）
まず、窒化物半導体構造を結晶成長により形成し用意する工程を、図１（ａ）を用いて説明する。
基板１０１上に、順に、半導体層１０２と、ＩｎＧａＮ層１０３と、ＧａＮ層１０４とを、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により結晶成長させ、窒化物半導体構造１００を形成する。
基板１０１は、例えば、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板であることが好ましい。
本実施形態において、基板１０１はｎ型ＧａＮ基板である。
半導体層１０２は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮであり、それらの多層構造であっても良い。
例えば、半導体層１０２は、基板側から順に、ｎ型ＡｌＧａＮとｎ型ＧａＮの２層構造とし、ｎ型ＡｌＧａＮがフォトニック結晶レーザのクラッド層の機能を有してもよい。
本実施形態において、半導体層１０２は、ｎ型ＡｌＧａＮである。
また、本実施形態では、ＩｎＧａＮ層１０３は、厚さ３００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮであり、ＧａＮ層１０４は、厚さ１５ｎｍのｎ型ＧａＮである。
【００１２】
（細孔の形成工程）
次に、ＧａＮ層側の主面に細孔を形成する細孔形成工程について、図１（ｂ）と図１（ｃ）を用いて説明する。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の工程に続いて、ＧａＮ層１０４の主面１０５に、エッチングマスク１０６を形成する工程を説明する図である。
エッチングマスク１０６の材料は、例えば、加工が容易な、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、感光性材料のいずれかであることが好ましい。
エッチングマスク１０６の材料が感光性材料である場合、開口１０７はフォトリソグラフィもしくは電子ビームリソグラフィで形成する。
エッチングマスク１０６の材料が酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンである場合、開口１０７はフォトリソグラフィもしくは電子ビームリソグラフィと、エッチングで形成する。エッチングは、ウェットエッチング、もしくは、ドライエッチングのどちらであってもよい。
開口１０７は、主面１０５の面内方向に、フォトニック結晶の周期構造と等しい周期配列を有する。
本実施形態における開口１０７の直径は６０ｎｍである。配列は正方格子状であり周期は１６０ｎｍである。
【００１３】
図１（ｃ）は、図１（ｂ）の工程に続いて、ＧａＮ層１０４とＩｎＧａＮ層１０３をエッチングし、細孔１０８を形成する工程を説明する図である。
細孔１０８は、エッチングマスク１０６を用いて、ＧａＮ層１０４とＩｎＧａＮ層１０３をエッチングし形成される。
細孔１０８の底面は、ＧａＮ層１０４を貫通し、ＩｎＧａＮ層１０３まで到達する。
ＧａＮ層１０４とＩｎＧａＮ層１０３のエッチングは、ウェットエッチング、もしくは、ドライエッチングのどちらでも良いが、孔形状の制御性を考慮すると、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）によるドライエッチングが好ましい。
細孔１０８を形成するためのドライエッチングに使用するプラズマのガス組成は、例えば、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのいずれかの元素を含む。
より具体的には、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＢｒ、ＨＩ、ＨＣｌ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プラズマであることが好ましい。
細孔１０８を形成後、エッチングマスク１０６は、除去する。
なお、本実施形態における細孔１０８のサイズは、直径６０ｎｍ、深さ１６０ｎｍであり、面内方向の周期は１６０ｎｍである。
【００１４】
（熱処理工程）
次に、熱処理工程について説明する。
図１（ｄ）は、図１（ｃ）の工程に続いて、細孔１０８が形成された窒化物半導体構造１００の熱処理工程を説明する図である。
熱処理工程の雰囲気は、Ｖ族である窒素元素を含む雰囲気下で行われ、例えば、Ｎ2またはＮＨ3を含む雰囲気下で行われる。
熱処理工程は、温度９５０℃以上の雰囲気で行われ、例えば、本実施形態においては、１０５０℃である。
温度９５０℃以上であれば、マストランスポートが生じ、細孔上部１０９は、ＧａＮ層１０４から移動してきたＧａＮによって塞がれる。
この熱処理工程により、ＩｎＧａＮ層１０３に空孔１１０が形成され、細孔上部１０９には閉塞部１１１が形成される。なお、閉塞部１１１の材料はＧａＮである。
空孔１１０は、周期配列を有するフォトニック結晶１１２として機能する。
なお、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、表面エネルギーが小さくなる位置で最吸着する現象である。半導体の組成を保ちながら、表面形状を変化させることが可能である。
【００１５】
（熱処理工程の雰囲気）
次に、熱処理工程のＩＩＩ／Ｖ族比について説明する。
熱処理工程の雰囲気は、Ｖ族である窒素元素を含む雰囲気下で行われ、例えば、Ｎ2またはＮＨ3を含む雰囲気下で行われる。
Ｖ族雰囲気下で熱処理を行う理由は、ＩＩＩ族元素よりもＶ族元素の方が熱エネルギーによって脱離しやすいためであり、Ｖ族元素である窒素元素を含むガスを供給した雰囲気下で熱処理する。
これにより、ＩｎＧａＮ層１０３およびＧａＮ層１０４からのＶ族元素の減少を防いでいる。
熱処理工程を行う雰囲気には、ＩＩＩ族原料は必ずしも必要ない。ここで、ＩＩＩ族原料とは、例えば、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩである。
本実施形態において、熱処理工程の雰囲気のＩＩＩ族／Ｖ族モル比は０である。ＩＩＩ族原料が少ない方が、細孔１０８の側壁にＩＩＩ族原子が成長する速度が遅くなるので、熱処理工程前後で、細孔１０８の直径の変化を小さくできる。
【００１６】
一方で、熱処理工程前の窒化物半導体構造１００を用意する工程における結晶成長、すなわち、半導体層１０２、ＩｎＧａＮ層１０３、ＧａＮ層１０４の結晶成長を行う雰囲気は、ＩＩＩ族原料が必要である。
すなわち、本実施形態の熱処理工程の雰囲気のＩＩＩ／Ｖ族モル比は、窒化物半導体構造１００を用意する工程の結晶成長の雰囲気のＩＩＩ／Ｖ族モル比よりも小さいことを特徴とする。
本実施形態においては、熱処理工程後のＩｎＧａＮ層１０３の厚さｔInGaNと閉塞部１１１の厚さｔcovを合わせた厚さは、熱処理工程前のＩｎＧａＮ層１０３の厚さｔInGaNとＧａＮ層１０４の厚さｔGaNを合わせた厚さよりも薄くなる。
なお、本実施形態においては、熱処理雰囲気にｎ型ドーパント原料であるＳｉ2Ｈ6やｐ型ドーパント原料であるＣｐ2Ｍｇを流していないが、閉塞部ＧａＮ１１１の導電性を制御するためには、それらの原料を適宜流しても良い。
【００１７】
（閉塞部の熱処理温度依存性）
次に、熱処理温度と閉塞部１１１の厚さの関係を説明する。
図２は、実験で得られた、熱処理温度Ｔと熱処理工程後の閉塞部１１１の厚さｔcovとの関係を説明した図である。
細孔上部１０９は、熱処理温度が９５０℃以上で塞がる。
本実施形態において、熱処理温度Ｔと閉塞部１１１の厚さｔcovは、概ね、次の関係式（式１）で表される。
ｔcov＝−０．２０５×Ｔ＋２５６                          （式１）
閉塞部１１１の厚さは、熱処理温度が高くなるにつれて、薄くなる。
熱処理温度が高くなりすぎると、ＧａＮ層１０４と閉塞部１１１のＧａＮが蒸発するので、熱処理温度は１２５０℃以下が好ましい。
なお、本実施形態においては、Ｔ＝１０５０℃であるので、ｔcov＝４１ｎｍである。
【００１８】
（ＧａＮ層の厚さの下限値）
次に、ＧａＮ層１０４の厚さの下限値について図３（ａ）から図３（ｄ）を用いて説明する。
図３（ａ）は、熱処理工程前の窒化物半導体構造３００を説明する図であり、熱処理前のＧａＮ層３０４の厚さをｔGaNと表す。
図３（ｂ）は、熱処理工程後の窒化物半導体構造３００を説明する図であり、熱処理後の閉塞部３１１の厚さをｔcovで表す。
熱処理前後における、ＧａＮ層３０４の厚さｔGaNの変化を、理解しやすくするために、図３（ｂ）中で、ＧａＮ層３０４の一部の点線は、熱処理前のＧａＮ層３０４を表している。
【００１９】
本実施形態においては、熱処理工程後、ＧａＮ層３０４が、窒化物半導体構造３００の主面３１３に露出していることが好ましい。
熱処理工程後においても、ＧａＮ層３０４が、窒化物半導体構造３００の主面３１３に露出するためには、細孔３０８の主面３１３方向の面積充填率をｆ、閉塞部３１１の厚さをｔcov、としたとき、熱処理工程前のＧａＮ層３０４の厚さｔGaNは、次の関係式（式２）を満足する。
ｔGaN≧ｆｔcov／（１−ｆ）                          （式２）
上記（式２）を満足することで、ＧａＮ層３０４の体積が、細孔上部３０９を塞ぐ閉塞部３１１の体積を上回る。
本実施形態においては、ｆ＝０．１１、ｔcov＝４１ｎｍであり、ＧａＮ層３０４はｔGaN＝１５ｎｍで、（式１）を満足している。
なお、面積充填率ｆについては、次の段落で説明する。
【００２０】
（細孔の面積充填率）
次に、面積充填率ｆについて説明する。
本実施形態において、細孔３０８は周期的な配列を形成し、その周期配列は２次元フォトニック結晶である。その上面図を表したのが図３（ｃ）である。
２次元フォトニック結晶を構成する異なる方向に伸びる２つ基本並進ベクトルのうち、一方向の長さをａ、もう一方向の長さをｂ、２つベクトルのなす角度をθ、細孔３０８の面積をＳで表すと、面積充填率ｆは（式３）で表される。
ｆ＝Ｓ／ａｂ・ｓｉｎθ                                  （式３）
本実施形態においては、細孔３０８の直径は６０ｎｍ、周期は１６０ｎｍ、θ＝９０度であるため、ｆ＝０．１１となる。
また、本実施形態の変形例として、周期的な配列が１次元フォトニック結晶であるときの上面図を表したのが図３（ｄ）である。
１次元フォトニック結晶を構成する基本並進ベクトルの長さをａ、基本並進ベクトル方向の細孔３０８の幅をｗで表すと、充填率ｆは（式４）で表される。
ｆ＝ｗ／ａ                                              （式４）
（ＧａＮ層の厚さによる熱処理後のフォトニック結晶の構造）
次に、熱処理工程後のフォトニック結晶構造を、図４（ａ）から図４（ｃ）を用いて説明する。
図４（ａ）から図４（ｃ）は、すべて熱処理工程後の窒化物半導体構造を説明する図である。
図４（ａ）は、ＧａＮ層４０４とＩｎＧａＮ層４０３との界面である第１界面４２０と、閉塞部４１１とＩｎＧａＮ層との第２界面４２１の高さが一致している。
図４（ｂ）は、第２界面４２１が、第１界面４２０よりも低いところ、すなわち、より基板側に位置する。
図４（ａ）および図４（ｂ）のいずれの場合においても、フォトニック結晶層４１２は、ＩｎＧａＮ層４０３と空孔４１０で形成されている。
フォトニック結晶レーザの分布帰還効果を高めるには、ＩｎＧａＮと空孔でフォトニック結晶が形成されていることが好ましいので、図４（ａ）もしくは図４（ｂ）の構造が好ましい。
熱処理工程により、図４（ａ）もしくは図４（ｂ）に示した窒化物半導体構造を得るためには、次の関係式（式５）を満足する。
ｔGaN≦｛ｆｔcov／（１−ｆ）｝＋ｔcov            （式５）
ＧａＮ層４０４の厚さｔGaNが、上記（式１）と（式５）を満足することで、ＩｎＧａＮと空孔からなるフォトニック結晶４１２を形成でき、かつ、歪応力分布起因のゲインスペクトルのピーク波長分布を改善したフォトニック結晶レーザが製造可能となる。
【００２１】
図４（ｃ）は、第２界面４２１が、第１界面４２０よりも高いところ、すなわち、より活性層側に位置する。
フォトニック結晶は、ＩｎＧａＮ層４０３と空孔４１０で形成された第１フォトニック結晶４２２と、ＧａＮ層４０４と空孔４１０で形成された第２フォトニック結晶４２３の多層構造となっている。
熱処理工程により、図４（ｃ）に示した窒化物半導体構造を得るためには、次の関係式（式６）を満足する。
ｔGaN＞｛ｆｔcov／（１−ｆ）｝＋ｔcov            （式６）
図４（ｃ）の構造において、高い分布帰還効果を得るためには、第２フォトニック結晶４２３の厚さが、第１フォトニック結晶４２２の厚さよりも薄いことが好ましい。
【００２２】
（活性層の結晶成長工程）
次に、活性層の結晶成長工程について、図１（ｅ）を用いて説明する。
図１（ｅ）は、図１（ｄ）の工程に続いて、ＧａＮ層１０４と閉塞部１１１で形成される主面１１３に、活性層１１４をＭＯＶＰＥ法によって結晶成長させる工程を説明する図である。
活性層１１４は、ＧａＮ層１０４と閉塞部１１１のバンドギャップよりも狭い材料で形成される。閉塞部１１１はＧａＮであるので、活性層１１４はＩｎＧａＮで形成される。
さらに好ましくは、活性層１１４は、ＩｎＧａＮ層１０３のＩｎ組成よりも高いＩｎ組成のＩｎＧａＮで形成される。
活性層１１４は、井戸層と障壁層からなる多重量子井戸（ＭＱＷｓ）構造であってもよく、この場合、井戸層が、閉塞部１１１のバンドギャップよりも狭い材料で形成される。
例えば本実施形態においては、障壁層が厚さ７．５ｎｍのＧａＮで、井戸層が厚さ２．５ｎｍのＩｎＧａＮの、３周期のＭＱＷｓである。
【００２３】
（ＧａＮ層の機能）
次に、熱処理工程におけるＧａＮ層１０４の機能について説明する。
ＧａＮ層１０４がない場合、従来技術の課題として挙げた現象が生じる。
すなわち、細孔上部が塞がれた領域には、歪応力が緩和されたフリースタンディングなＧａＮ領域が形成され、細孔以外の領域には、下地の半導体層や基板との格子不整合に起因する歪応力が残ったＩｎＧａＮ領域が形成される。
その状態で、閉塞部上に成長させた活性層のゲインスペクトルピーク波長は、その歪応力分布に応じた面内分布を有する。
【００２４】
一方で、ＧａＮ層１０４を有する場合、細孔上部１０９を塞ぐフリースタンディングなＧａＮ領域は同様に形成されるが、細孔上部１０９以外の領域もＧａＮであるため、歪応力分布は改善される。
特に、ＩｎＧａＮ層１０３の下地層として接している半導体層１０２がＧａＮもしくはＡｌＧａＮであったり、基板１０１がＧａＮであったりする場合は、より歪応力分布が改善される。
すなわち、本実施形態において、熱処理工程後、ＧａＮ層１０４と閉塞部１１１で形成される主面１１３に活性層１１４を形成すると、面内方向のゲインスペクトルのピーク波長分布が従来技術よりも改善される。
【００２５】
（クラッド層とコンタクト層と電極の形成工程）
次に、クラッド層とコンタクト層と電極の形成工程について、図１（ｆ）を用いて説明する。
活性層１１４を形成後、活性層１１４の上に順に、クラッド層１１５、コンタクト層１１６をＭＯＶＰＥ法により結晶成長させる。
本実施形態においては、クラッド層１１５がｐ型ＡｌＧａＮ、コンタクト層１１６がｐ型ＧａＮである。
つづいて、基板１０１の裏面（活性層１１４側とは反対側の面）に電極１１７を形成し、コンタクト層１１６の表面に電極１１８を形成する。
電極１１７と電極１１８の材料としては、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕを含む金属で形成される。また、例えば、ＩＴＯやＺｎＯを用いても良い。
電極１１７と電極１１８の形成方法としては、例えば、スパッタや蒸着である。本実施形態の構成により、ＩｎＧａＮ層に形成された細孔の上部を、マストランスポートによる熱処理工程で塞いだ場合においても、閉塞部表面の歪応力分布が改善される。さらに、その上に結晶成長した活性層のゲインスペクトルのピーク波長分布も改善された分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造も可能となる。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１では、図５に示した、２次元フォトニック結晶を有する分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法の構成例について説明する。
ｎ型ＧａＮ基板５０１上に、順に、ｎ型クラッド層５０２である厚さ５００ｎｍのｎ型Ａｌ0.09Ｇａ0.91Ｎと、ＩｎＧａＮ層５０３である厚さ３００ｎｍのｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎと、厚さ２０ｎｍのＧａＮ層５０４であるｎ型ＧａＮを、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長させる。
続いて、ＧａＮ層５０４の主面に、直径８０ｎｍ、深さ２４０ｎｍ、周期１８５ｎｍの細孔が三角格子状に配列した細孔を形成する。
続いて行う熱処理工程の熱処理温度は、１１５０℃である。マストランスポートによって、細孔上部が、ＧａＮで塞がれることで閉塞部ＧａＮ５１１を形成し、その下には空孔５１０が形成される。
それら空孔５１０が２次元フォトニック結晶５１２を形成する。
なお、本実施例の熱処理工程の雰囲気は、Ｎ2流量が１０ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｌｉｔｔｅｒ  ｐｅｒ  ｍｉｎｉｔｕｅｓ）、ＮＨ3流量が５ｓｌｍであり、ＩＩＩ族原料のＴＭＧは流していない。
すなわち、熱処理工程雰囲気のＩＩＩ族／Ｖ族のモル比は０である。
なお、本実施例においては、熱処理雰囲気にｎ型ドーパント原料であるＳｉ2Ｈ6を流している。
熱処理温度は、１１５０℃であるため、（式１）より、閉塞部ＧａＮ５１１の厚さは、ｔcov＝２０ｎｍである。
細孔の面積充填率はｆ＝０．１７であることから、熱処理工程前のＧａＮ層５０４の厚さｔGaN＝２０ｎｍは、（式２）を満足している。
さらに、本実施例の構成においては、（式５）も満足している。すなわち、第２界面５２１が、第１界面５２０よりも低いところに位置し、フォトニック結晶層５１２は、ＩｎＧａＮ層５０３と空孔５１０で形成されている。
【００２７】
熱処理工程後、活性層５１４を結晶成長させる。本実施例において、活性層５１４は、３周期のＭＱＷｓ構造で形成されており、井戸層が厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎで、障壁層が厚さ５．０ｎｍのＧａＮである。
なお、活性層５１４の発光中心波長は４０５ｎｍである。
活性層５１４を形成後、順に、ガイド層５３０である厚さ８０ｎｍのアンドープのＧａＮ、電子ブロック層５３１である厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ、ｐ型クラッド層５１５である厚さ８００ｎｍのｐ型Ａｌ0.09Ｇａ0.91Ｎ、コンタクト層５１６である厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮを、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長させる。
続いて、ｎ型ＧａＮ基板５０１の裏面（活性層５１４側とは反対側の面）にｎ電極５１７であるＴｉとＡｌを、コンタクト層５１６の表面にｐ電極５１８であるＮｉとＡｕを蒸着し、電極を形成する。
以上の工程により、活性層５１４に対して垂直方向へ波長４０５ｎｍのレーザ光を出射する、分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造が可能である。
【００２８】
本実施例のフォトニック結晶レーザの２次元フォトニック結晶５１２は、ＩｎＧａＮと空孔で形成されているので高い分布帰還効果を生み出すことが可能である。
さらに、閉塞部ＧａＮ５１１は、フリーススタンディングなＧａＮである。
また、閉塞部ＧａＮ５１１以外領域も、ＩｎＧａＮ層５０３がＧａＮ層５０４によって覆われており、さらには、熱処理工程中、ＧａＮ層５０４の表面原子はマストランスポートによって表面エネルギーが低くなるよう再配列する。
ゆえに、閉塞部ＧａＮ５１１とＧａＮ層５０４で構成されるその表面の歪応力分布は小さい。
すなわち、その上に成長させた活性層５１４のゲインスペクトルのピーク波長分布も改善できている。
本実施例の構成により、ＩｎＧａＮ層に形成された細孔の上部を、マストランスポートによる熱処理工程で塞いだ場合においても、閉塞部表面の歪応力分布が改善される。さらに、その上に結晶成長した活性層のゲインスペクトルのピーク波長分布も改善された分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造も可能となる。
【００２９】
［実施例２］
本発明の実施例２における、分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造方法の構成例について説明する。本実施例は、実施例１の変形例である。
本実施例の窒化物半導体構造を用意する工程において、ＩｎＧａＮ層の厚さは２５０ｎｍ、ＧａＮ層の厚さは１００ｎｍである。
細孔の形成工程は、実施例１と同じであり、フォトニック結晶のパターンが異なるだけである。本実施例において、面積充填率ｆ＝０．３である。
熱処理温度は９６０℃であるため、（式１）より、閉塞部ＧａＮの厚さは、ｔcov＝５９ｎｍである。
面積充填率はｆ＝０．３であることから、熱処理工程前のＧａＮ層の厚さｔGaN＝１００ｎｍは、（式２）を満足している。
【００３０】
一方で、（式５）は満足してない。第２界面が、第１界面よりも高いところ、すなわち、より活性層側に位置することとなる。
すなわち、本実施例のフォトニック結晶は、図４（ｃ）に示した構造と同じ構造を有し、ＩｎＧａＮ層４０３と空孔４１０で形成された第１フォトニック結晶４２２と、ＧａＮ層４０４と空孔４１０で形成された第２フォトニック結晶４２３の多層構造である。
本実施例においては、第２フォトニック結晶４２３の厚さが、第１フォトニック結晶４２２の厚さよりも薄いので、高い分布帰還効果を得ることができる。
熱処理工程につづいて行う、活性層、ガイド層、電子ブロック層、ｐ型クラッド層、コンタクト層の結晶成長工程と、ｎ電極およびｐ電極の形成工程は、実施例１と同じである。
本実施例のレーザは、ＩｎＧａＮと空孔からなるフォトニック結晶を有し、かつ、活性層のゲインスペクトルのピーク波長分布が小さい。
本実施例の構成により、ＩｎＧａＮ層に形成された細孔の上部を、マストランスポートによる熱処理工程で塞いだ場合においても、閉塞部表面の歪応力分布が改善される。さらに、その上に結晶成長した活性層のゲインスペクトルのピーク波長分布も改善された分布帰還型の窒化物半導体フォトニック結晶レーザの製造も可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
１００：窒化物半導体構造
１０１：基板
１０２：半導体層
１０３：ＩｎＧａＮ層
１０４：ＧａＮ層
１０５：主面
１０６：エッチングマスク
１０７：開口
１０８：細孔
１０９：細孔上部
１１０：空孔
１１１：閉塞部
１１２：フォトニック結晶
１１３：主面
１１４：活性層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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