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公開番号2024142951
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-11
出願番号2023055375
出願日2023-03-30
発明の名称面発光半導体レーザ素子の製造方法及び面発光半導体レーザ素子
出願人国立大学法人京都大学,スタンレー電気株式会社
代理人個人,個人,デロイトトーマツ弁理士法人
主分類H01S 5/185 20210101AFI20241003BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】空孔層と活性層とを近接させ共振効果を高くすることが可能であり、かつ、高品質の活性層を有し、低閾値かつ高効率の面発光半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】(a)基板上にホール形成準備層を形成し、(b)ホール形成準備層に、格子点の各々に2次元的に配置されたホールを形成して、ホール形成層を形成し、(c)ホールを閉塞するファセット成長を行って第1の埋込層を形成し、(d)第1の埋込層を平坦に埋め込む第2の埋込層の成長を行ってホールに対応する空孔を有する空孔層を形成し、(e)水素雰囲気におけるアニールにより第2の埋込層の平坦エッチングを行い、(f)平坦エッチングされた第2の埋込層上に活性層を含む半導体層の結晶成長を行う。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
面発光半導体レーザ素子の製造方法であって、
（ａ）基板上にホール形成準備層を形成し、
（ｂ）前記ホール形成準備層に、格子点の各々に２次元的に配置されたホールを形成して、ホール形成層を形成し、
（ｃ）前記ホールを閉塞するファセット成長を行って第１の埋込層を形成し、
（ｄ）前記第１の埋込層を平坦に埋め込む第２の埋込層の成長を行って前記ホールに対応する空孔を有する空孔層を形成し、
（ｅ）水素雰囲気におけるアニールにより前記第２の埋込層の平坦エッチングを行い、
（ｆ）前記平坦エッチングされた前記第２の埋込層上に活性層を含む半導体層の結晶成長を行う、製造方法。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記面発光半導体レーザ素子はＧａＮ系半導体レーザ素子であり、
前記基板の結晶成長面は｛０００１｝面であり、
前記平坦エッチング後の前記第２の埋込層の表面は｛０００１｝面である、
請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記平坦エッチング後における前記ホール形成層の上面上の前記第２の埋込層の層厚は２ｎｍ以上である請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記空孔層の前記空孔の上面から前記活性層までの距離が２００ｎｍ以下である請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記ファセット成長は、表面が｛１－１０１｝ファセットである結晶が選択的に成長される請求項２に記載の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし４に記載の製造方法により製造されたフォトニック結晶面発光レーザ素子であって、
前記活性層と前記空孔層との距離は２００ｎｍ以下であるフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項７】
請求項１ないし４に記載の製造方法により製造されたフォトニック結晶面発光レーザ素子であって、
前記活性層と前記空孔層との距離は１５０ｎｍ以下であるフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項８】
窒化物半導体系からなる面発光レーザ素子であって、
透光性の基板と、
前記基板上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ、前記第１の半導体層とは反対導電型の第２の半導体層と、を備え、
前記第１の半導体層は、前記活性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備えるフォトニック結晶層である空孔層と、埋込層と、を有し、
前記埋込層は、前記空孔を閉塞している第１の埋込層と、前記第１の埋込層上に設けられた第２の埋込層と、を有し、
前記空孔層と、前記活性層との距離は、２００ｎｍ以下であるフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記埋込層の膜厚は、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項８に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項１０】
前記第２の埋込層の膜厚は２ｎｍ以上である請求項８又は９に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を有する面発光半導体レーザ素子の製造方法及び面発光半導体レーザ素子に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶（ＰＣ：Photonic Crystal）を用いた、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ：Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser）の開発が進められている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、フォトニック結晶レーザにおいて空孔層における回折効果を強め高い共振効果を得るために、ファセット選択成長を用いて側面が｛１０－１０｝からなる六角柱構造の空孔をIII族窒化物半導体層内に埋め込む方法が提案されている。これにより、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フォトニック結晶レーザ素子を実現することについて記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、フォトニック結晶レーザにおいて、マストランスポートを利用して空孔をIII族窒化物半導体層内に埋め込む方法が提案されている。これにより、フォトニック結晶層を伝搬する光波に対する結合係数が大きなフォトニック結晶レーザを得ることについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第７１０１３７０号公報
特開２０２０－３８８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のような手法を用いた場合、十分な空孔充填率の空孔層を形成することができるが、空孔層を埋め込むための層厚が厚くなり、空孔層と活性層との距離を近づけることができない。すなわち、空孔層における共振効果を高めることができない。
【０００７】
また、特許文献２にはマストランスポートを利用した空孔埋め込み方法が提案されているが、この方法を用いた場合には、空孔は断面形状が熱的に最も安定な柱状構造、すなわち正六角柱構造で埋め込まれる。したがって、空孔の断面形状に非対称性を導入することが困難であり、高い出射効率を得ることができない。すなわち高出力動作することができない。
【０００８】
以上のことから、従来技術においては、高い出力を維持しつつ共振効果を高め、閾値電流を下げることが困難であった。
【０００９】
本願発明は、空孔層と活性層とを近接させ共振効果を高くすることが可能であり、かつ、高品質の活性層を有し、低閾値かつ高効率の面発光半導体レーザ素子の製造方法及び面発光半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１実施態様による面発光半導体レーザ素子の製造方法は、
基板上にホール形成準備層を形成し、
前記ホール形成準備層に、格子点の各々に２次元的に配置されたホールを形成して、ホール形成層を形成し、
前記ホールを閉塞するファセット成長を行って第１の埋込層を形成し、
前記第１の埋込層を平坦に埋め込む第２の埋込層の成長を行って前記ホールに対応する空孔を有する空孔層を形成し、
水素雰囲気におけるアニールにより前記第２の埋込層の平坦エッチングを行い、
前記平坦エッチングされた前記第２の埋込層上に活性層を含む半導体層の結晶成長を行う。
（【００１１】以降は省略されています）

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