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公開番号2024142980
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-11
出願番号2023055413
出願日2023-03-30
発明の名称フォトニック結晶面発光レーザ素子
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】高い注入効率を有し、低閾値及び高効率で発光するフォトニック結晶面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】下ガイド層と、下ガイド層上に形成され、格子点の各々に2次元的に配置された空孔を有するフォトニック結晶層、及び、フォトニック結晶層上に形成されて空孔を閉塞する埋込層と、を有する第1のガイド層と、埋込層上に形成され、埋込層とは結晶組成の異なる半導体からなるヘテロ半導体層と、ヘテロ半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第2のガイド層と、を有し、埋込層にはn形ドーパントが1.0×10¹⁷～1.0×10²⁰cm^-3の濃度でドーピングされている。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
下ガイド層と、
前記下ガイド層上に形成され、格子点の各々に２次元的に配置された空孔を有するフォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層上に形成されて前記空孔を閉塞する埋込層と、を有する第１のガイド層と、
前記埋込層上に形成され、前記埋込層とは結晶組成の異なる半導体からなるヘテロ半導体層と、
前記ヘテロ半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２のガイド層と、を有し、
前記埋込層にはｎ型ドーパントが１．０×１０
１７
～１．０×１０
２０
ｃｍ
－３
の濃度でドーピングされている、フォトニック結晶面発光レーザ素子。
続きを表示（約 470 文字）【請求項２】
前記埋込層のドーピング濃度は１．０×１０
１８
～１．０×１０
２０
ｃｍ
－３
での範囲内ある請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記埋込層のドーピング濃度は２．０×１０
１８
～２．０×１０
１９
ｃｍ
－３
の範囲内である請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記埋込層は、アンドープの第１の埋込層と、前記第１の埋込層上に形成され、n型ドーパントがドーピングされ第２の埋込層と、からなる請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記ヘテロ半導体層はアンドープ層である請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記埋込層はＧａＮからなり、前記ヘテロ半導体層はＩｎＧａＮからなる請求項１ないし５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶層を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、半導体発光素子の効率を高めるため種々の構造が提案されている。例えば、特許文献１には、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く活性層に注入するための組成傾斜層を有する紫外線発光素子について記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、活性層への正孔注入効率を改善するため、自発分極とピエゾ分極の和が負になる側に向かってＡｌ組成値が減少する組成傾斜層を有する窒化物半導体発光素子が記載されている。
【０００４】
また、特許文献３には、空孔層（フォトニック結晶層）とは異なる結晶組成の結晶層からなり、光と空孔層との結合効率を調整する光分布調整層を設けたフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ：Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０２２－０４１７３８号公報
特許第６１９２３７８号公報
ＷＯ２０２１／１８６９６５Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願の発明者は、フォトニック結晶層と、フォトニック結晶層上に形成され、フォトニック結晶層とは結晶組成の異なる半導体層との間のヘテロ界面においてピエゾ分極による空乏化が生じて電子に対する障壁が形成され、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）の高効率動作を妨げているとの知見を得た。
【０００７】
本願は、当該知見に基づいてなされたものであり、高い注入効率を有し、低閾値及び高効率で発光するフォトニック結晶面発光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】
【０００８】
本発明の１実施態様によるフォトニック結晶面発光レーザ素子は、
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成され、格子点の各々に２次元的に配置された空孔を有するフォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層上に形成されて前記空孔を閉塞する埋込層と、を有する第１のガイド層と、
前記埋込層上に形成され、前記埋込層とは結晶組成の異なる半導体からなるヘテロ半導体層と、
前記ヘテロ半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２のガイド層と、を有し、
前記埋込層にはn形ドーパントが１．０×１０
１７
～１．０×１０
２０
ｃｍ
－３
の濃度でドーピングされている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。
図１Ａに示すフォトニック結晶層中に配列された空孔を模式的に示す拡大断面図である。
ＰＣＳＥＬ素子の上面を模式的に示す平面図である。
ｎ側ガイド層に平行な面における断面を模式的に示す断面図である。
ＰＣＳＥＬ素子の下面を模式的に示す平面図である。
レジストの主開口及び副開口、及び、エッチング後のホールを模式的に示す平面図である。
形成されたフォトニック結晶層の中心軸ＣＸに垂直な断面を模式的に示す図である。
本実施形態のＰＣＳＥＬ素子のサンプル１～４（ＥＸ．１～ＥＸ．４）のＩ－Ｖ特性の測定結果を示すグラフである。
比較例のＰＣＳＥＬ素子及び面発光素子のサンプル１～５（ＣＸ．１～ＣＸ．５）のＩ－Ｖ特性の測定結果を示すグラフである。
ＰＣＳＥＬ素子の深さ方向のＳＩＭＳプロファイルを示すグラフである。
ＰＣＳＥＬ素子の各半導体層のパラメータを示す表である。
埋込層のドナー濃度を２．０×１０
１７
ｃｍ
－３
としたときの、伝導帯のエネルギーバンド、電子及び正孔の濃度のシミュレーション結果を示す図である。
埋込層のドナー濃度を２．０×１０
１８
ｃｍ
－３
としたときの、伝導帯のエネルギーバンド、電子及び正孔の濃度のシミュレーション結果を示す図である。
埋込層のドナー濃度を変化させたときのＩ－Ｖ特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下においては、本発明の好適な実施形態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。
（【００１１】以降は省略されています）

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