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公開番号2024143148
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-11
出願番号2023055673
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 5/11 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、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を製造する方法及び面発光半導体レーザ素子を提供する。
【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)ホール形成層の表面を酸化させて酸化膜を形成した後、酸化膜を除去し、(d)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、(e)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含むガイド層を形成し、(f)ガイド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）前記ホール形成層の表面を酸化させて酸化膜を形成した後、前記酸化膜を除去し、
（ｄ）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、
（ｅ）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含む第１のガイド層を形成し、
（ｆ）前記第１のガイド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 1,200 文字）【請求項２】
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）前記ホール形成層の表面を酸化させて酸化膜を形成した後、前記酸化膜を除去し、
（ｄ）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、
（ｅ）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含む第１のガイド層を形成し、
（ｆ）水素雰囲気におけるアニールにより前記第１のガイド層の表面の平坦エッチングを行い、
（ｇ）前記平坦エッチングされた前記第１のガイド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。
【請求項３】
前記酸化膜を形成する工程は、オゾンによって前記ホール形成層の表面を酸化させる工程である請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
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、
前記ガイド層と前記活性層を含む半導体層との界面のＳｉ濃度が２×１０
１９
ｃｍ
－３
以下である請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項５】
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、
前記ファセット成長のファセット面は｛１－１０１｝面である、
請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項６】
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又は２に記載の製造方法。
【請求項７】
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の埋込層の厚さは４ｎｍ以上である請求項２に記載の製造方法。
【請求項８】
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空孔層と、前記空孔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、活性層を含む半導体層と、
前記活性層を含む半導体層上に形成された第２のガイド層と、を有し、
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４～２００ｎｍである、
面発光半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記埋込層の表面粗さＲａは、Ｒａ≦０．７ｎｍである請求項８に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記活性層は量子井戸構造を有し、
前記活性層までの前記距離は、前記空孔層に最も近い量子井戸と前記空孔の上面との間の距離である請求項８に記載の面発光半導体レーザ素子。
（【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 1,300 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。
【０００５】
また、特許文献３には、ファセット成長によってホールを埋込む第１の埋込成長及び表面平坦化を行う第２の埋込成長を行ってフォトニック結晶層（空孔層）を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許第７１０１３７０号公報
特開２０２０－３８８９２号公報
ＷＯ２０１８／１５５７１０Ａ１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。したがって、空孔層における共振効果を高めることができない。
【０００８】
また、本願の発明者は、マストランスポートを利用して空孔を埋め込み形成する場合、空孔を形成した表面に堆積した多量のＳｉによって大きな表面荒れが発生することについて知見を得た。この表面荒れによって、埋込層上に平坦性が高く高品質の活性層を成長することが阻害され、また、空孔層と活性層とを十分に近づけることができず、空孔層と活性層との結合効率を高めることができないという問題があった。
また、高濃度のＳｉがＧａＮ膜中に導入された場合、膜中に点欠陥が導入されやすくなるため、この観点からも表面に堆積した多量のＳｉは除去することが好ましい。
【０００９】
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。
【００１０】
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を製造する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】
（【００１１】以降は省略されています）

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