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公開番号2025004130
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-14
出願番号2024174933,2022508138
出願日2024-10-04,2021-02-10
発明の名称面発光レーザ素子及び面発光レーザ素子の製造方法
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
主分類H01S 5/11 20210101AFI20250106BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】多重格子フォトニック結晶層上に形成された活性層の平坦性及び結晶性が高く、かつ光取り出し効率が高く、低閾値電流密度及び高量子効率で発振動作することができるフォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】3族窒化物半導体のc面上に形成され、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有するフォトニック結晶層及び当該フォトニック結晶層上に形成されて上記空孔を閉塞する埋込層を有する第1のガイド層と、第1のガイド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、上記フォトニック結晶層に平行な面内における正方格子点の各々に、少なくとも主空孔及び主空孔よりもサイズの小なる副空孔を含む空孔セットが配置され、主空孔は長軸が<11-20>軸に平行な正六角柱形状、長六角柱形状又は長円柱形状を有している。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
３族窒化物半導体からなる面発光レーザ素子であって、
３族窒化物半導体のｃ面上に形成され、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、
前記第１のガイド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、
前記フォトニック結晶層に平行な面内における正方格子点の各々に、少なくとも主空孔及び前記主空孔よりも空孔径及び深さの小なる副空孔を含む空孔セットが配置され、
前記主空孔は短軸が＜１１－２０＞軸に平行な長六角柱形状又は長円柱形状を有する、面発光レーザ素子。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記主空孔の長径／短径の比は、前記副空孔の長径／短径の比の２倍以上である請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶層中の前記主空孔及び前記副空孔の空孔充填率をそれぞれＦＦ１及びＦＦ２としたとき、空孔充填率比ＲＦ＝ＦＦ１／ＦＦ２は、１．７≦ＲＦ≦７．５を満たす請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記副空孔の＜１１－２０＞軸方向の空孔長さは、＜１１－２０＞軸と直交する方向における空孔長さよりも長い請求項１ないし３のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記空孔セットは、互いに直交し、＜１１－２０＞軸及び＜１－１００＞軸に対して４５°の角度を有するｘ方向及びｙ方向に配置され、
前記副空孔の前記主空孔に対する相対位置Δｘ及びΔｙがΔｘ＝Δｙを満たし、かつ、当該正方格子の周期をＰＣとし、Δｘ＝Δｙ＝ｄ×ＰＣとしたとき、０．０６≦ｄ≦０．２８又は０．４０≦ｄ≦０．４７を満たす、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
面発光レーザ素子の製造方法であって、
成長基板上にガイド層を形成する工程と、
前記ガイド層上に、正方格子点の各々に少なくとも主開口及び前記主開口よりもサイズの小なる副開口を含む開口セットを有するエッチングマスクを形成する工程と、
前記エッチングマスクを用いて、前記ガイド層をエッチングして主ホール及び副ホールを形成する工程と、
マストランスポートを含む結晶成長を行って、前記主ホール及び副ホールの開口部を塞ぐ埋込層を形成し、前記正方格子点の各々に主空孔及び前記主空孔よりも空孔径及び深さの小なる副空孔を含む空孔セットが配された多重格子フォトニック結晶層を形成する工程と、
前記多重格子フォトニック結晶層上に、活性層を含む半導体層を形成する工程と、を有し、
前記埋込層を構成する半導体は、前記マストランスポートの埋込による形状変化速度に結晶面による異方性を有し、
前記主ホールの前記エッチングは、前記形状変化速度が小さい方向を短軸方向とする、長六角柱形状又は長円柱形状にエッチングする、面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
面発光レーザ素子の製造方法であって、
成長基板上にガイド層を形成する工程と、
前記ガイド層上に、正方格子点の各々に少なくとも主開口及び前記主開口よりもサイズの小なる副開口を含む開口セットを有するエッチングマスクを形成する工程と、
前記エッチングマスクを用いて、前記ガイド層をエッチングして主ホール及び副ホールを形成する工程と、
マストランスポートを含む結晶成長を行って、前記主ホール及び副ホールの開口部を塞ぐ埋込層を形成し、前記正方格子点の各々に主空孔及び前記主空孔よりも空孔径及び深さの小なる副空孔を含む空孔セットが配された多重格子フォトニック結晶層を形成する工程と、
前記多重格子フォトニック結晶層上に、活性層を含む半導体層を形成する工程と、を有し、
前記主ホールから形成された前記主空孔の側面は｛１－１００｝面を有する、面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
前記副空孔は、長軸が＜１１－２０＞軸に平行な正六角柱形状、長六角柱形状又は長円柱形状を有する、請求項６又は７に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項９】
３族窒化物半導体からなる面発光レーザ素子であって、
３族窒化物半導体である基板のｃ面上に形成され、層に平行な面内において２次元的な周期性を有して空孔形成領域内に配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、
前記第１のガイド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、
前記フォトニック結晶層に平行な面内における正方格子点の各々に、少なくとも主空孔及び前記主空孔よりも空孔径及び深さの小なる副空孔を含む空孔セットが配置され、
前記空孔形成領域は前記フォトニック結晶層の一部領域であり、
前記主空孔は長軸が＜１１－２０＞軸に平行な正六角柱形状、長六角柱形状又は長円柱形状を有する、面発光レーザ素子。
【請求項１０】
前記基板の裏面に設けられ前記基板に電気的に接続された環状の第１の電極を有し、
前記空孔形成領域は、前記フォトニック結晶層に対して垂直方向から見たとき、前記第１の電極に内包される領域である、
請求項９に記載の面発光レーザ素子。
（【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、面発光レーザ素子及びその製造方法、特にフォトニック結晶面発光レーザ素子及びその製造方法に関する。
続きを表示（約 1,200 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（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、板状の母材内に、該母材とは屈折率が異なる複数の領域から成り該領域のうち少なくとも２個の厚さが互いに異なる異屈折率領域集合体を多数、周期的に配置した２次元フォトニック結晶を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源が記載されている。かかる構成により、円柱状の異屈折率領域を周期的に配置した２次元フォトニック結晶よりも母材に平行な面内での対称性を低くし、干渉に起因した反対称モードの打ち消しによるレーザ光の取り出し効率の低下を抑えることができることが開示されている。
【０００４】
このような空孔が結晶面内に多数、周期的に配置された２次元フォトニック結晶上に、当該フォトニック結晶を埋め込む埋込層を成長した場合、埋込層の表面が粗面になり、埋込層上に成長する活性層の品質が悪化するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第４２９４０２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層を埋め込む埋込層の表面が荒れ、埋込層上に形成する活性層の品質が悪化するという問題があった。
【０００７】
また、本願の発明者は、異なるサイズの空孔の組を周期的に配置した２次元フォトニック結晶を埋込層で埋め込んだ場合、単一サイズの空孔からなる２次元フォトニック結晶の場合よりも埋込層の表面が荒れるという知見を得た。
【０００８】
特に、埋込層の形成工程において、マストランスポートによって空孔の形状が変化し、当該空孔の形状変化に起因して、隣接する空孔の形状変化が互いに干渉して埋込層表面に凹凸が発生するという知見を得た。
【０００９】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、異なるサイズの複数の空孔を格子点に配置して構成され、当該複数の空孔の組が周期的に配置された２次元フォトニック結晶（以下、多重格子フォトニック結晶ともいう。）を有し、多重格子フォトニック結晶を埋め込む埋込層の表面の平坦性が大きく改善されたフォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
また、多重格子フォトニック結晶層上に形成された活性層の平坦性及び結晶性が高く、かつ光取り出し効率が高く、低閾値電流密度及び高量子効率で発振動作することができるフォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法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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