CN115298916B 面发射激光元件及面发射激光元件的制造方法 （国立大学法人京都大学）

2022.09.15PCT/JP2021/0051002021.02.10WO2021/186965JA2021.09.23WO2020050130A1,2020.03.12JP2007180120A,2007.07.12WO2019124312A1,2019.06.27面发射激光元件及面发射激光元件的制造族氮化物半导体的c面上，且具有在与层平行的具有长轴与<11_20>轴平行的正六棱柱形状、扁2第一引导层，其具有光子晶体层和嵌入层，该光子晶在与所述光子晶体层平行的面内的各方形晶格点处配置有括主气孔以及气孔直径和深度比所述主气孔所述主气孔和所述副气孔的嵌入封闭面在所述光子晶体层中位于靠近所述有源层的所述主气孔和副气孔具有长轴与<11_20>轴平行的正六所述副气孔配置在所述副气孔的重心与所述主气孔的重心在＜1_100＞方向上间隔开所述气孔组配置在彼此正交且相对于<11_20>轴和<1_100>轴具有45°的角度的x方向所述主气孔和所述副气孔具有侧面为m面的六在将所述光子晶体层中的所述主气孔和所述副气孔的气孔填充率设孔填充率比RF＝FF1/FF2满足1.7≤RF≤7.5。所述嵌入层具有作为GaN层的第一嵌入层、以及形成在所述第一嵌入层上且成分中包9.一种面发射激光元件的制造方法，该面发射激光元件由第三族氮化物半导体构成，在所述引导层上形成蚀刻掩模的步骤，该蚀刻掩模在各方形晶使用所述蚀刻掩模对所述引导层进行蚀刻而形成主孔进行包括传质的结晶生长，形成封闭所述主孔和副孔的开口部的嵌3在所述多晶格光子晶体层上形成包括有源层的半所述主气孔和所述副气孔的嵌入封闭面在所述光子晶体层中位于靠近所述有源层的第一引导层，其具有光子晶体层和嵌入层，该光子晶在与所述光子晶体层平行的面内的各方形晶格点处配置有所述主气孔和所述副气孔的嵌入封闭面在所述光子晶体层中位于靠近所述有源层的所述主气孔和副气孔具有长轴与<11_20>轴平行的正六4器(Photonic_CrystalSurface_EmittingLa率区域集合体由折射率不同于该母材的多个区域构成且该区域中至少两个的厚度彼此不[0004]在结晶面内周期性地配置有多个这样的气孔的二维光子晶体上生长了嵌入该光5[0020]所述主气孔具有长轴与<11_20>轴平行的正六棱柱形状、扁六棱柱形状或椭圆柱[0026]所述主气孔具有长轴与<11_20>轴平行的正六棱柱形状、扁六棱柱形状或椭圆柱[0028]图1B是示意性地示出图1A中的光子晶体层14P和在光子晶体层14P中排列的气孔[0032]图3是示意性地示出将由椭圆形状的主开口K1和副开口K2构成的开口对在面内二[0034]图5是示出本实施例中的主气孔14K1和副气孔14K2的气孔形状的引导层上表面的6[0039]图8B是示出实施例1的PCSEL元件10和比较例1的PCSEL元件的阈值电流附近的发[0040]图9A是示出与实施例1同样地形成有主孔和副孔的结构(结构A)的主孔14H1和副[0042]图10A是示出结构A(实施例2)的情况下的、嵌入主气孔和副气孔后的嵌入层的表[0043]图10B是示出结构B(比较例2)的情况下的、嵌入主气孔和副气孔后的嵌入层的表[0044]图11A是示意性地示出结构A(实施例2)的情况下的、嵌入层的形成过程中孔的形[0045]图11B是示意性地示出结构B(比较例2)的情况下的、嵌入层的形成过程中孔的形[0046]图12A是示出在实施例1的结构中使副气孔14K2相对于主气孔14K1的相对位置Δ[0047]图12B是示出在实施例1的结构中使副气孔14K2相对于主气孔14K1的相对位置Δpp[0048]图12C是示出垂直方向的谐振器损耗αn相对于总谐振[0050]图14是示出在实施例1中使Δx、Δy变化时的由耦合波理论求出的各模式的阈值[0052]图16A是示意性地示出带边模式A和B的情况下的电流注入区域附近的光子带边的[0053]图16B是示意性地示出带边模式C和D的情况下的电流注入区域附近的光子带边的[0054]图17A是示意性地示出在带边模式A和B下进行振荡动作时的、电流注入区域的折[0055]图17B示意性地示出了在带边模式C和D下进行振荡动作时的、电流注入区域的折[0057]图19A是示出实施例3中的主气孔14K1和副气孔14K2的气孔形状的引导层上表面7[0061]图20B是示出实施例3的PCSEL元件10和比较例1的PCSEL元件的阈值电流附近的发[0062]图21A是示出相对于d(副气孔的相对于主气孔的相对位置)的垂直方向的谐振器pp[0065]图21D是示出在实施例3中使Δx、Δy(相对位置d)变化时的由耦合波理论求出的[0067]图22B是示出相对于气孔填充率比FF1/FF2的垂直方向和水平方向的谐振器损耗n+αp)的图。光子晶体层平行的面内传播的光波通过光子晶体的衍射效应而衍射，形成二维谐振模式，[0072]图1A是示意性地示出光子晶体激光元件(PCSEL元件)10的结构(第一PCSEL结构)8[0077]另外，上述对光子晶体激光元件10的具体且详细的半导件也可以具有用于提高元件特性的各种半导体层[0080]从光子晶体层(PC层)14P直接发射的光(直接发射光Ld)和从光子晶体层14P发射且被p电极20B反射的光(反射发射光Lr)从基板12的背面的光发射区域20L[0081]图1B是示意性地示出图1A中的光子晶体层14P和在光子晶体层14P中排列的气孔(airhole)对14K的放大截面图。气孔对14K(主气孔14K1和副气孔14K2)在结晶生长面(半导体层生长面)、即与n引导层14平行的面(图中，AA截面)中，以例如方形晶格(square[0082]图2A是示意性地示出光子晶体激光器(PCSEL)10的上表面的平面图，图2B是示意方向观察时不与气孔形成区域14R重叠的方式作为环状的电极设置在气孔形成区域14R的[0090]设置有与主面相对的光发射区域20L的基板面(背面)是在最表面排列有N原子的9[0100]在形成上述准备层后，从MOVPE装置的腔室取出基板，在生长层表面形成微细的孔。更具体而言，在通过清洗基板获得清洁表面后，使用等离子体CVD成膜了氮化硅膜[0102]更详细而言，主开口K1的重心CD1在彼此正交的两个方向(x方向和y方向)上以周[0105]另外，主开口K1的长径为125nm、短径为50nm，长径与短径的比(长径/短径)=[0106]对图案化的抗蚀剂进行显影后，通过ICP_RIE(InductiveCoupledPlasma_方形晶格状的主开口K1和副开口K2形成为贯而计算为PC=λ/n＝164nm。过在ICP_RIE装置中使用氯系气体和氩气在深度方向上对GaN进行干式蚀刻，形成与GaN表4示出了此时的GaN表面的SEM(ScanningElectronMi维排列在方形晶格点上的多个孔对14H(主孔14H1和副孔14H2)。孔14H1、14H2是在上表面[0112]更详细而言，GaN表面中的主孔14H1的开口的长径LH1为124nm、短径WH1为50nm温度)后，供给三甲基镓(TMG)和NH3并封闭主孔14H1的开口和副孔14H2，形成第一嵌入层[0118]其次，通过在达到第一温度区域后供给的TMG，前述的檐向孔中心方向生长并合入层14B2作为用于调整光与光子晶体层14P的耦合效率(光场)的光分布调整层发挥作[0125]在有源层生长后，将基板升温至1050℃,以120nm的层厚生长了GaN作为p一(EBL)17。EBL17的生长是通过供给TMG和TMA作为第三族原子源、供给NH3作为氮源而进行层18。p包层18的生长是通过供给TMG和TMA作为第三族原子源、供给NH3作为氮源而进行[0133]将完成了外延生长层的形成的带生长层的基板的p一接触层19的表面粘贴于支承[0141]将结束了电极形成的基板下表面粘贴在支承基板上，形成覆盖阳极电极的掩[0145]为了确认本实施例中的嵌入的气孔的形状，通过聚焦离子束(FIB)从表面对层叠出了此时的主气孔14K1和尺寸比主气孔14K1小的副气孔14K2的气孔形状。此外，副气孔[0148]如图6A、图6B所示，主气孔14K1的深度DK1为102nm，副气孔14K2的深度DK2为[0149]如上所述，可以确认形成了光子晶体层14P，其中在各方形晶格点处以周期PC=14K1的重心D1与副气孔14K2的重心D2的距离(重心间距离)在x方向上为Δx、在y方向上为Δy(恒定)。[0151]另外，主气孔14K1和副气孔14K2具有长轴与<11_20>轴平行的扁六棱柱形状。此[0152]具体而言，主气孔14K1的重心D1与副气孔14K2的重心D2的距离Δx和Δy均为[0154]另外，将从与光子晶体层14P的平面正交的方向观察到的气孔面积除以气孔的周[0159]图7是示出比较例1中的形成于GaN表面部的圆柱状的孔CH的具有直径80nm的正圆状的开口，在x方向和y方向上以周期PC＝164nm在方形晶格点处配置ppΓαpαΓαpαn[0172]图8A示出了实施例1的PCSEL元件10和比较例1的PCSEL元件的I_L特性(电流_光输[0174]另一方面，可知实施例1的PCSEL元件10的斜率效率为0.23W/A，与比较例1的n[0180]图9A是示出在与上述实施例1同样地形成有主孔和副孔的结构(结构A)中形成于径/短径的比为2.75(＝79.8nm/29nm)的椭圆柱状的主孔14H1和长径/短径的比为1.14(=42.8nm/37.6nm)的椭圆柱状的副孔14H2构成的孔对以周期PC＝164nm形成[0181]图9B是示出比较例2中的形成于GaN表面部的主孔CH1和副孔CH2的上表面SEM图CH1和长径/短径的比为1.10(＝41.8nm/37.9nm)的椭圆柱状的副孔CH2构成的孔对以周期在表面出现高度7nm左右的起伏，与结构A(实施例)的情况相比表面粗糙度(RMS状从椭圆柱状的形状变化为侧面由m面构成[0192]图11A示意性地示出了椭圆柱状的孔的长轴与a轴(＜11_20＞轴)平行的情况下[0193]另一方面，图11B示意性地示出了椭圆柱状的孔的长轴与a轴垂直的情况(结构B)光子晶体内依赖于方向的光的不均匀分布并稳定地获得单一波长下的激光振荡，优选在x图12C，副气孔相对于主气孔的相对位置d(=Δx/PC=Δy/PC)优选为0.06以上或0.47以[0209]图14示出了在实施例1中使重心间距离Δx、Δy变化时的由耦合波理论求出的各[0216]图17A示意性地示出了在带边模式A和B下进行振荡动作时的、电流注入区域的折[0220]图17B示意性地示出了在带边模式C和D下进行振荡动作时的、电流注入区域的折行振荡，副气孔14K2相对于主气孔14K1的相对位置d(=Δx/PC=Δy/PC)优选为0.06PC~0.28PC(0.06≤d≤0.28)或0.4[0225]在实施例3中，对具有由两个正六棱柱形状的主气孔14K1和副气孔14K2构成的双[0229]对生长了n型GaN层作为n_引导层14的准备层的带生长层的基板进行清洗来获得[0230]对该带生长层的基板进行清洗来获得清洁表面后，使用等离子体CVD成膜了氮化K2构成的开口对以周期PC＝164nm在抗蚀剂的面内二[0232]更详细而言，主开口K1的重心CD1在彼此正交的两个方向(x方向和y方向)上以周[0234]以主开口K1和副开口K2在x方向和y方向上的重心间距离Δx=Δy成为65.6nm(=[0235]对图案化的抗蚀剂进行显影后，通过ICP_RIE装置选择性地对SixRIE装置使用氯系气体对GaN进行干式蚀刻，由此形成与GaN表面垂直的多个孔对14H(主孔温度)后，供给三甲基镓(TMG)和NH3并封闭主孔14H1的开口和副孔14H2，形成第一嵌入层用于调整光与光子晶体层14P的耦合效率(光[0251]S5(p侧引导层形成工序)之后的工序是与上述的制作工序相同的工序，形成实施[0253]为了确认实施例中的嵌入形成的气孔(airhole)的形状，通过FIB从表面对层叠14K2只要至少气孔直径和深度中的任一个比[0258]另外，主气孔14K1的重心D1与副气孔14K2的重心D2间的距离(重心间距离)Δx和ppGth通过上述(式2)求出，如表2所示，在实施例3中估算为1068cm_1，在比较例1中估算为Γpp播的光中的在垂直方向上衍射的光由于消失性干涉n增大。[0271]如上所述，可以确认，在主气孔14K1和副气孔14K2具有正六棱柱形状的实施例3[0273]图20A示出了实施例3的PCSEL元件10和比较例1的PCSEL元件的I_L特性(电流_光[0275]在实施例3和比较例1中，阈值增益Gth的增大的比例与阈值电流的增大的比例大[0276]另一方面，可知实施例3的PCSEL元件10的斜率效率为0.35W/A，与比较例1的n[0278]在实施例3中，制作具有由晶格点为两个的正六棱柱形状的主气孔14K1和副气孔[0279]图21A、图21B示出了在实施例3的结构中使主气孔14K1和副气孔14K2的重心间距气孔的侧面形状变化为热稳定的m面。即，形成气孔层的气孔的长径/短径比优选至少为[0287]图21D示出在实施例3中使副气孔14K2相对于主气孔14K1的相对位置d(=Δx/PC定为4.5％并使主气孔14K1的气孔填充率FF1在4.5％至40％的范围内变化时的谐振器损副气孔14K2的气孔填充率FF2＝S2/[0294]如在实施例1和实施例2中详细说明的那样，为了在注入高电流时获得稳定的振和具有正六棱柱形状的情况进行了说明，但副气孔14K2也可以具有截面为正圆的圆柱形入生长而使孔从圆柱形状或椭圆柱形状变化为正六棱柱形状或扁六棱柱形状的过程中的形状或椭圆柱形状变化为正六棱柱形状或扁六棱柱形状的过程中的[0298]另外，在上述的实施例中，对在各方形晶格点处配置了由主气孔14K1和副气孔14K2构成的气孔对的光子晶体层14P进行了说明，但也可以在各方形晶格点处配置由主气激光器(PCSEL)元件及其制造方法，其中嵌入多晶格光子晶体的嵌入层的表面的平坦性被