特開 2023-29161 フォトニック結晶面発光レーザ構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023029161

(43)【公開日】2023-03-03

(54)【発明の名称】フォトニック結晶面発光レーザ構造

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/11 20210101AFI20230224BHJP

【ＦＩ】

H01S5/11

【審査請求】有

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021165412

(22)【出願日】2021-10-07

(31)【優先権主張番号】202110948096.4

(32)【優先日】2021-08-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】518382946

【氏名又は名称】業成科技（成都）有限公司

(71)【出願人】

【識別番号】518426930

【氏名又は名称】業成光電（深セン）有限公司

(71)【出願人】

【識別番号】521443483

【氏名又は名称】業成光電（無錫）有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ （ＷＵＸＩ） ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．７５ Ｘｉｎｍｅｉ Ｒｏａｄ， Ｘｉｎｗｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｗｕｘｉ， Ｊｉａｎｇｓｕ， ＣＨＩＮＡ

(71)【出願人】

【識別番号】518382968

【氏名又は名称】英特盛科技股▲ふん▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】盧 廷昌

(72)【発明者】

【氏名】洪 國彬

(72)【発明者】

【氏名】陳 立人

(72)【発明者】

【氏名】趙 天行

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AB53

5F173AB90

5F173AF85

(57)【要約】

【課題】本発明は、フォトニック結晶面発光レーザ構造を提供する。
【解決手段】フォトニック結晶面発光レーザ構造は、基板と、基板に設けられるＮ型クラッド層と、Ｎ型クラッド層に設けられる活性層と、活性層に設けられるフォトニック結晶構造と、フォトニック結晶構造に設けられるＰ型クラッド層と、Ｐ型クラッド層に設けられるＮ型半導体層と、Ｎ型半導体層のＰ型クラッド層から離れた表面に位置するメタサーフェス構造と、を備える。
【選択図】図１Ｃ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に設けられるＮ型クラッド層と、
前記Ｎ型クラッド層に設けられる活性層と、
前記活性層に設けられるフォトニック結晶構造と、
前記フォトニック結晶構造に設けられるＰ型クラッド層と、
前記Ｐ型クラッド層に設けられる第１のＮ型半導体層と、
前記第１のＮ型半導体層の前記Ｐ型クラッド層から離れた表面に位置するメタサーフェス構造と、
を備えるフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項2】

前記基板、前記Ｎ型クラッド層及び前記活性層は、１つの方向に沿って配列され、前記メタサーフェス構造は、レーザビームが前記方向に対して傾斜して出射するように配置される請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項3】

前記レーザビームと前記方向との間の最大夾角は９０度である請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項4】

前記メタサーフェス構造は、レーザビームが同時に複数の異なる方向へ出射するように配置される請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項5】

前記メタサーフェス構造は、前記第１のＮ型半導体層と一体的に成形される微細構造を含む請求項１～４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構造。

【請求項6】

前記メタサーフェス構造は、前記第１のＮ型半導体層の前記表面を局所的に覆うとともに、前記第１のＮ型半導体層に接触する請求項１～４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構造。

【請求項7】

前記第１のＮ型半導体層の前記表面に設けられるとともに、前記メタサーフェス構造を取り囲む金属電極を更に備える請求項１～６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構造。

【請求項8】

前記第１のＮ型半導体層内に設けられるトンネル接合を更に備える請求項１～７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構造。

【請求項9】

前記トンネル接合の断面積は、前記メタサーフェス構造の面積よりも小さい請求項８に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項10】

前記トンネル接合の前記基板への垂直投影領域は、前記メタサーフェス構造の前記基板への垂直投影領域内にある請求項８又は９に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項11】

前記基板、前記Ｎ型クラッド層及び前記活性層は、第１の方向に沿って配列され、前記第１の方向に垂直である第２の方向において、前記トンネル接合の幅は、前記メタサーフェス構造の幅よりも小さい請求項８、９又は１０に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項12】

前記トンネル接合の断面積は、前記フォトニック結晶構造の断面積よりも小さい請求項８に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項13】

前記トンネル接合の前記基板への垂直投影領域は、前記フォトニック結晶構造の前記基板への垂直投影領域内にある請求項８又は１２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項14】

前記基板、前記Ｎ型クラッド層及び前記活性層は、第１の方向に沿って配列され、前記第１の方向に垂直である第２の方向において、前記トンネル接合の幅は、前記フォトニック結晶構造の幅よりも小さい請求項８、１２又は１３に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項15】

前記Ｐ型クラッド層に設けられるとともに、前記第１のＮ型半導体層により取り囲まれる第１のＰ型半導体層を更に備え、前記トンネル接合は、前記第１のＰ型半導体層と前記第１のＮ型半導体層との間に位置する請求項８～１４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構造。

【請求項16】

前記トンネル接合は、第２のＰ型半導体層及び第２のＮ型半導体層を含み、前記第２のＰ型半導体層は、前記第１のＰ型半導体層と前記第２のＮ型半導体層との間に位置し、前記第２のＰ型半導体層のドーピング濃度は、前記第１のＰ型半導体層よりも大きく、前記第２のＮ型半導体層のドーピング濃度は、前記第１のＮ型半導体層よりも大きい請求項１５に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項17】

前記トンネル接合の厚みは、５ナノメートルから１００ナノメートルまでの範囲内にある請求項８～１６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構造。

【請求項18】

前記活性層と前記フォトニック結晶構造との間に位置する電子閉じ込め層を更に備える請求項１～１７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構造。

【請求項19】

前記フォトニック結晶構造は、複数の周期的なホールを含む請求項１～１８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構造。

【請求項20】

前記周期的なホールの断面形状は、円形、四角形又は六角形である請求項１９に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、フォトニック結晶面発光レーザ構造に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザは、医療、光通信及び生産加工などの分野で広く適用されている。従来のレーザ構造では、発光効率及び出射方向の制御にまだ改善の余地がある。

【発明の概要】

【0003】

これを鑑み、本開示の目的の一つは、より高い発光効率及びより大きな出射角度に達することができるレーザ構造を提案することである。

【0004】

上記の目的を達成するために、本開示のいくつかの実施形態によれば、フォトニック結晶面発光レーザ構造は、基板と、基板に設けられるＮ型クラッド層と、Ｎ型クラッド層に設けられる活性層と、活性層に設けられるフォトニック結晶構造と、フォトニック結晶構造に設けられるＰ型クラッド層と、Ｐ型クラッド層に設けられる第１のＮ型半導体層と、第１のＮ型半導体層のＰ型クラッド層から離れた表面に位置するメタサーフェス構造と、を備える。

【0005】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、メタサーフェス構造は、レーザビームが基板、Ｎ型クラッド層及び活性層の配列方向に対して傾斜して出射するように配置される。

【0006】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、レーザビームと基板、Ｎ型クラッド層及び活性層の配列方向との間の最大夾角は９０度である。

【0007】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、メタサーフェス構造は、レーザビームが同時に複数の異なる方向へ出射するように配置される。

【0008】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、メタサーフェス構造は、第１のＮ型半導体層と一体的に成形される微細構造を含む。

【0009】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、メタサーフェス構造は、第１のＮ型半導体層のＰ型クラッド層から離れた表面を局所的に覆うとともに、第１のＮ型半導体層に接触する。

【0010】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造は、第１のＮ型半導体層のＰ型クラッド層から離れた表面に設けられるとともに、メタサーフェス構造を取り囲む金属電極を更に備える。

【0011】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造は、第１のＮ型半導体層内に設けられるトンネル接合を更に備える。

【0012】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、トンネル接合の断面積は、メタサーフェス構造の面積よりも小さい。

【0013】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、トンネル接合の基板への垂直投影領域は、メタサーフェス構造の基板への垂直投影領域内にある。

【0014】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、基板、Ｎ型クラッド層及び活性層は、第１の方向に沿って配列され、第１の方向に垂直である第２の方向において、トンネル接合の幅は、メタサーフェス構造の幅よりも小さい。

【0015】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、トンネル接合の断面積は、フォトニック結晶構造の断面積よりも小さい。

【0016】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、トンネル接合の基板への垂直投影領域は、フォトニック結晶構造の基板への垂直投影領域内にある。

【0017】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、基板、Ｎ型クラッド層及び活性層は、第１の方向に沿って配列され、第１の方向に垂直である第２の方向において、トンネル接合の幅は、フォトニック結晶構造の幅よりも小さい。

【0018】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造は、Ｐ型クラッド層に設けられるとともに、第１のＮ型半導体層により取り囲まれる第１のＰ型半導体層を更に備え、トンネル接合は、第１のＰ型半導体層と第１のＮ型半導体層との間に位置する。

【0019】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、トンネル接合は、第２のＰ型半導体層及び第２のＮ型半導体層を含み、第２のＰ型半導体層は、第１のＰ型半導体層と第２のＮ型半導体層との間に位置し、第２のＰ型半導体層のドーピング濃度は、第１のＰ型半導体層よりも大きく、第２のＮ型半導体層のドーピング濃度は、第１のＮ型半導体層よりも大きい。

【0020】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、トンネル接合の厚みは、５ナノメートルから１００ナノメートルまでの範囲内にある。

【0021】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造は、活性層とフォトニック結晶構造との間に位置する電子閉じ込め層を更に備える。

【0022】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、フォトニック結晶構造は、複数の周期的なホールを含む。

【0023】

本開示の１つ又は複数の実施形態において、周期的なホールの断面形状は、円形、四角形又は六角形である。

【0024】

以上を纏めると、本開示のフォトニック結晶面発光レーザ構造は、Ｎ型半導体層のＰ型クラッド層から離れた表面に位置するメタサーフェス構造を備え、メタサーフェス構造によりレーザビームの出射角度を制御することができる。フォトニック結晶面発光レーザ構造は、Ｎ型半導体層内に設けられるトンネル接合を更に備え、トンネル接合を配置することで、レーザ構造を通る電流の均一化、発光効率の向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

本開示の上記及びその他の目的、特徴、メリット並びに実施形態をより明らかで分かりやすくするために添付される図面について、以下の通りに説明する。

【図1A】本開示の一実施形態によるフォトニック結晶面発光レーザ構造を示す上面図である。

【図1B】図１Ａに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の領域Ｍ内における拡大透視図である。

【図1C】図１Ａに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の線分１－１’に沿う断面図である。

【図2】図１Ｃに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の各製造段階における断面図である。

【図3】図１Ｃに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の各製造段階における断面図である。

【図4】図１Ｃに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の各製造段階における断面図である。

【図5】図１Ｃに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の各製造段階における断面図である。

【図6】図１Ｃに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の各製造段階における断面図である。

【図7】図１Ｃに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造の各製造段階における断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

添付の図面及び下記に示す各種の実施形態を参照することにより、本開示の説明をより詳しく完備にすることができる。図面における各素子は、縮尺通りに描いておらず、本開示を説明するために提供されるものに過ぎない。以下に説明される多くの実際的な細部は、本開示を全面的に理解するためのものであり、当業者であれば、１つ又は複数の実際的な細部がなくても本開示を実施できることを理解できるはずである。従って、これらの細部は、本開示を限定するものとすべきではない。

【0027】

図１Ａ～図１Ｃを参照されたい。図１Ａは、本開示の一実施形態によるフォトニック結晶面発光レーザ構造１００を示す上面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造１００の領域Ｍ内における拡大透視図であり、図１Ｃは、図１Ａに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造１００の線分１－１’に沿う断面図である。フォトニック結晶面発光レーザ構造１００は、第１の方向Ｙに沿って積み重ねて設けられた基板１１０、Ｎ型クラッド層１２０、活性層１３０、フォトニック結晶構造１５０、Ｐ型クラッド層１６０、第１のＮ型半導体層１７０及びメタサーフェス構造１４０を備える。基板１１０は、例えば半導体基板であり、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はその他の適切な半導体材料を含んでよい。Ｎ型クラッド層１２０は、基板１１０に設けられ、活性層１３０は、Ｎ型クラッド層１２０に設けられている。いくつかの実施形態において、活性層１３０は、量子井戸を含み、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００が通電する時に発光するように配置される。

【0028】

いくつかの実施形態において、Ｎ型クラッド層１２０は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、リン化ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）、リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、ヒ化窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮＡｓ）、ヒ化ガリウムアンチモン（ＧａＡｓＳｂ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）、その他の適切な半導体材料又は上記材料の任意の組み合わせを含む。

【0029】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、フォトニック結晶構造１５０は、活性層１３０に設けられている。活性層１３０から発した光は、フォトニック結晶構造１５０において共振してレーザビームＬＢを生じ、レーザビームＬＢをフォトニック結晶面発光レーザ構造１００の頂部から出射させる。

【0030】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、いくつかの実施形態において、フォトニック結晶構造１５０は、ベース１５１及び複数の周期的なホール１５２を含む。ベース１５１は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はその他の適切な半導体材料を含んでよく、周期的なホール１５２は、ベース１５１の活性層１３０から離れた側に形成され、且つ、第１の方向Ｙに実質的に垂直である第２の方向Ｘに沿って配列される。いくつかの実施形態において、周期的なホール１５２は、第１の方向Ｙに垂直である平面に沿って配列される。いくつかの実施形態において、周期的なホール１５２の断面形状は、円形、四角形又は六角形であってよい。

【0031】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、Ｐ型クラッド層１６０は、フォトニック結晶構造１５０に設けられ、第１のＮ型半導体層１７０は、Ｐ型クラッド層１６０に設けられている。いくつかの実施形態において、第１のＮ型半導体層１７０は、Ｎ－ＧａＡｓを含む。いくつかの実施形態において、Ｐ型クラッド層１６０は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、リン化ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）、リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、ヒ化窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮＡｓ）、ヒ化ガリウムアンチモン（ＧａＡｓＳｂ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）、その他の適切な半導体材料又は上記材料の任意の組み合わせを含む。

【0032】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、メタサーフェス構造１４０（ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ）は、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面に位置する。メタサーフェス構造１４０は、サブ波長（ｓｕｂ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）スケールの微細構造を含み、レーザビームＬＢが通る時にその波面、相位などの特性を変えることができる。メタサーフェス構造１４０により、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００の頂部から出射するレーザビームＬＢの角度を制御することができ、例えばレーザビームＬＢが第１の方向Ｙに対して傾斜して出射するようにする。いくつかの実施形態において、レーザビームＬＢと第１の方向Ｙとの間の最大夾角は９０度である。

【0033】

メタサーフェス構造１４０の設計によるが、出射するレーザビームＬＢと第１の方向Ｙとの間の夾角θは、－９０度～＋９０度の範囲内の任意の角度であってよい。いくつかの実施形態において、メタサーフェス構造１４０は、フォトニック結晶構造１５０に生じたレーザビームＬＢを、同時に複数の異なる方向へフォトニック結晶面発光レーザ構造１００の頂部から出射させるように調整してよい。

【0034】

いくつかの実施形態において、メタサーフェス構造１４０は、第１のＮ型半導体層１７０と一体的に成形される微細構造を含む。いくつかの実施形態において、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面をエッチングすることによってメタサーフェス構造１４０を形成してよい。

【0035】

いくつかの実施形態において、メタサーフェス構造１４０は、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面に追加された構造である。メタサーフェス構造１４０は、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面を局所的に覆うとともに、第１のＮ型半導体層１７０に接触する。いくつかの実施形態において、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面に誘電材料又は半導体材料（例えば、アモルファスシリコン）を１層メッキすることによってメタサーフェス構造１４０を形成してもよい。

【0036】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、いくつかの実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００は、第１のＮ型半導体層１７０内に設けられるトンネル接合１９０（ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を更に備える。トンネル接合１９０を配置することで、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００を通る電流の均一化、発光効率の向上に寄与する。

【0037】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、いくつかの実施形態において、トンネル接合１９０の横断面（即ち、トンネル接合１９０の第１の方向Ｙに垂直である断面）の面積は、メタサーフェス構造１４０の面積よりも小さい。いくつかの実施形態において、トンネル接合１９０の横断面の面積は、フォトニック結晶構造１５０の横断面（即ち、フォトニック結晶構造１５０の第１の方向Ｙに垂直である断面）の面積よりも小さい。いくつかの実施形態において、トンネル接合１９０の基板１１０への垂直投影領域は、メタサーフェス構造１４０の基板１１０への垂直投影領域内にあり、垂直投影領域は、第１の方向Ｙの逆方向に沿って投影した領域を示す。いくつかの実施形態において、トンネル接合１９０の基板１１０への垂直投影領域は、フォトニック結晶構造１５０の基板１１０への垂直投影領域内にある。いくつかの実施形態において、第２の方向Ｘでは、トンネル接合１９０の幅Ｗ３は、メタサーフェス構造１４０の幅Ｗ１よりも小さい。いくつかの実施形態において、トンネル接合１９０の幅Ｗ３は、フォトニック結晶構造１５０の幅Ｗ２よりも小さい。いくつかの実施形態において、第１の方向Ｙでは、トンネル接合１９０の厚みは、５ナノメートルから１００ナノメートルまでの範囲内にある。

【0038】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００の実際の発光領域は、フォトニック結晶構造１５０のトンネル接合１９０の下方に位置する箇所に集中する。メタサーフェス構造１４０の範囲がトンネル接合１９０をカバーする（即ち、トンネル接合１９０の基板１１０への垂直投影領域は、メタサーフェス構造１４０の基板１１０への垂直投影領域内にある）ため、メタサーフェス構造１４０の範囲は、同時にフォトニック結晶構造１５０のトンネル接合１９０に対応する部分もカバーしており、それによってフォトニック結晶面発光レーザ構造１００の頂部から出射するレーザビームＬＢの角度を制御する。

【0039】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、いくつかの実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００は、第１のＰ型半導体層１０３（例えば、Ｐ－ＧａＡｓ）を更に備える。第１のＰ型半導体層１０３は、Ｐ型クラッド層１６０に設けられるとともに、第１のＮ型半導体層１７０により取り囲まれる。トンネル接合１９０は、第１のＰ型半導体層１０３と第１のＮ型半導体層１７０との間に位置する。

【0040】

図１に示すように、いくつかの実施形態において、トンネル接合１９０は、積み重ねて設けられた第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２を含み、第２のＰ型半導体層は、第２のＮ型半導体層１９２と第１のＰ型半導体層１０３との間に位置する。第２のＰ型半導体層１９１のドーピング濃度は、第１のＰ型半導体層１０３のドーピング濃度よりも大きく、第２のＮ型半導体層１９２のドーピング濃度は、第１のＮ型半導体層１７０のドーピング濃度よりも大きい。いくつかの実施形態において、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）を含む。

【0041】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、いくつかの実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００は、活性層１３０を覆うとともに、フォトニック結晶構造１５０と活性層１３０との間に位置する電子閉じ込め層１８０を更に備える。

【0042】

図１Ａ～図１Ｃに示すように、いくつかの実施形態において、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００は、第１の電極１０１及び第２の電極１０２を更に備える。第１の電極１０１は、基板１１０のＮ型クラッド層１２０から離れた側に設けられるとともに、基板１１０のＮ型クラッド層１２０から離れた表面に接触する。第２の電極１０２は、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた側に設けられるとともに、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面に接触する。いくつかの実施形態において、第１の電極１０１及び第２の電極１０２は、金属電極である。いくつかの実施形態において、第２の電極１０２は、メタサーフェス構造１４０を取り囲んで設けられる。

【0043】

いくつかの実施形態において、第１の電極１０１及び第２の電極１０２は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、亜鉛（Ｚｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、ベリリウム金（ＡｕＢｅ）、ベリリウムゲルマニウム（ＢｅＧｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛スズ（ＰｂＳｎ）、クロム（Ｃｒ）、金亜鉛（ＡｕＺｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、その他の適切な導電材料又は上記材料の任意の組み合わせを含む。

【0044】

以下、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００の製造方法について説明する。

【0045】

図１Ｃに示されるフォトニック結晶面発光レーザ構造１００の各製造段階における断面図である図２～図７を参照されたい。フォトニック結晶面発光レーザ構造１００の製造方法は、ステップＳ１～ステップＳ１３を含む。

【0046】

図２に示すように、まず、ステップＳ１において、積み重ねて設けられる基板１１０、Ｎ型クラッド層１２０、活性層１３０、電子閉じ込め層１８０及び半導体層１５０Ａ（例えば、ヒ化ガリウム）を形成する。基板１１０、Ｎ型クラッド層１２０、活性層１３０、電子閉じ込め層１８０及び半導体層１５０Ａは、第１の方向Ｙに沿って配列される。いくつかの実施形態において、ステップＳ１は、エピタキシャル成長により、積み重ねて設けられる基板１１０、Ｎ型クラッド層１２０、活性層１３０、電子閉じ込め層１８０及び半導体層１５０Ａを形成することを含む。

【0047】

図３に示すように、続いて、ステップＳ３において、半導体層１５０Ａ内にフォトニック結晶構造１５０を形成する。いくつかの実施形態において、ステップＳ３は、一部の半導体層１５０Ａを除去してフォトニック結晶構造１５０の周期的なホール１５２を形成することを含む。残りの半導体層１５０Ａは、フォトニック結晶構造１５０のベース１５１とされる。いくつかの実施形態において、ステップＳ３は、エッチング又はフォトリソグラフィにより、一部の半導体層１５０Ａを除去してフォトニック結晶構造１５０の周期的なホール１５２を形成することを含む。

【0048】

図４に示すように、続いて、ステップＳ５において、フォトニック結晶構造１５０に、積み重ねて設けられるＰ型クラッド層１６０、第１のＰ型半導体層１０３（例えば、Ｐ－ＧａＡｓ）、第２のＰ型半導体層１９１（例えば、Ｐ＋－ＧａＡｓ又はＰ＋－ＩｎＧａＡｓ）及び第２のＮ型半導体層１９２（Ｎ＋－ＧａＡｓ又はＮ＋－ＩｎＧａＡｓ）を形成する。Ｐ型クラッド層１６０、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２は、第１の方向Ｙに沿って配列される。第１のＰ型半導体層１０３は、Ｐ型クラッド層１６０の上面を覆い、第２のＰ型半導体層１９１は、第１のＰ型半導体層１０３の上面を覆い、第２のＮ型半導体層１９２は、第２のＰ型半導体層１９１の上面を覆う。

【0049】

いくつかの実施形態において、ステップＳ５は、エピタキシャル成長により、フォトニック結晶構造１５０に、積み重ねて設けられるＰ型クラッド層１６０、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２を形成することを含む。

【0050】

図５に示すように、続いて、ステップＳ７において、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２が第２の方向ＸにおいてＰ型クラッド層１６０に比べて縮小するように、即ち、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２の第２の方向Ｘにおける幅がＰ型クラッド層１６０よりも小さくなるように、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２の外縁を除去する。残りの第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２は、トンネル接合１９０を構成し、フォトニック結晶面発光レーザ構造１００の発光領域を画定する。

【0051】

いくつかの実施形態において、ステップＳ７は、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２が第２の方向ＸにおいてＰ型クラッド層１６０に比べて縮小するように、エッチングにより、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２の外縁を除去することを含む。

【0052】

図６に示すように、続いて、ステップＳ９において、第１のＮ型半導体層１７０（例えば、Ｎ－ＧａＡｓ）を形成し、第１のＮ型半導体層１７０は、Ｐ型クラッド層１６０に設けられ、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２を被覆する。

【0053】

いくつかの実施形態において、ステップＳ９は、エピタキシャル成長により、Ｐ型クラッド層１６０、第１のＰ型半導体層１０３、第２のＰ型半導体層１９１及び第２のＮ型半導体層１９２に第１のＮ型半導体層１７０を形成することを含む。

【0054】

図７に示すように、続いて、ステップＳ１１において、第１の電極１０１及び第２の電極１０２を形成し、第１の電極１０１は、基板１１０のＮ型クラッド層１２０から離れた側に設けられるとともに、第１の基板１１０のＮ型クラッド層１２０から離れた表面に接触する。第２の電極１０２は、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた側に設けられるとともに、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面に接触する。

【0055】

再び図１Ｃを参照されたく、最後に、ステップＳ１３において、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面にメタサーフェス構造１４０を形成する。いくつかの実施形態において、ステップＳ１３は、メタサーフェス構造１４０を形成するように、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面をエッチングすることを含む。いくつかの実施形態において、ステップＳ１３は、メタサーフェス構造１４０を形成するように、第１のＮ型半導体層１７０のＰ型クラッド層１６０から離れた表面に誘電材料又は半導体材料（例えば、アモルファスシリコン）を１層メッキすることを含む。

【0056】

以上を纏めると、本開示のフォトニック結晶面発光レーザ構造は、Ｎ型半導体層のＰ型クラッド層から離れた表面に位置するメタサーフェス構造を備え、メタサーフェス構造によりレーザビームの出射角度を制御することができる。フォトニック結晶面発光レーザ構造は、Ｎ型半導体層内に設けられるトンネル接合を更に備え、トンネル接合を配置することで、レーザ構造を通る電流の均一化、発光効率の向上に寄与する。

【0057】

本開示は実施形態を前述の通りに開示したが、これは本開示を限定するものではなく、当業者であれば、本開示の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修飾を加えることができる。従って、本開示の保護範囲は、下記特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。

【符号の説明】

【0058】

１００ フォトニック結晶面発光レーザ構造
１０１ 第１の電極
１０２ 第２の電極
１０３ 第１のＰ型半導体層
１１０ 基板
１２０ Ｎ型クラッド層
１３０ 活性層
１４０ メタサーフェス構造
１５０ フォトニック結晶構造
１５０Ａ 半導体層
１５１ ベース
１５２ 周期的なホール
１６０ Ｐ型クラッド層
１７０ 第１のＮ型半導体層
１８０ 電子閉じ込め層
１９０ トンネル接合
１９１ 第２のＰ型半導体層
１９２ 第２のＮ型半導体層
ＬＢ レーザビーム
Ｍ 領域
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 幅
Ｘ 第２の方向
Ｙ 第１の方向
θ 夾角

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2023-02-07

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上に設けられるＮ型クラッド層と、
前記Ｎ型クラッド層の上に設けられる活性層と、
前記活性層の上に設けられるフォトニック結晶構造と、
前記フォトニック結晶構造の上に設けられるＰ型クラッド層と、
前記Ｐ型クラッド層の上に設けられる第１のＮ型半導体層と、
前記第１のＮ型半導体層内に設けられるトンネル接合と、
前記第１のＮ型半導体層の前記Ｐ型クラッド層と反対側の表面に位置するメタサーフェス構造と、
を備え、
前記メタサーフェス構造は、前記第１のＮ型半導体層と一体的に成形される微細構造を含む、フォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項2】

前記基板、前記Ｎ型クラッド層及び前記活性層は、１つの方向に沿って配列され、前記メタサーフェス構造は、レーザビームが前記方向に対して傾斜して出射するように配置される請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項3】

前記レーザビームと前記方向との間の最大夾角は９０度である請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項4】

前記メタサーフェス構造は、レーザビームが同時に複数の異なる方向へ出射するように配置される請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項5】

前記メタサーフェス構造は、前記第１のＮ型半導体層の前記Ｐ型クラッド層と反対側の前記表面を局所的に覆うとともに、前記第１のＮ型半導体層に接触する請求項１～４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構造。

【請求項6】

前記第１のＮ型半導体層の前記Ｐ型クラッド層と反対側の前記表面の上に設けられるとともに、前記メタサーフェス構造を取り囲む金属電極を更に備える請求項１～５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構造。

【請求項7】

前記トンネル接合の断面積は、前記メタサーフェス構造の面積よりも小さい請求項１～６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構造。

【請求項8】

前記トンネル接合の前記基板への垂直投影領域は、前記メタサーフェス構造の前記基板への垂直投影領域内にある請求項１～７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構造。

【請求項9】

前記基板、前記Ｎ型クラッド層及び前記活性層は、第１の方向に沿って配列され、前記第１の方向に垂直である第２の方向において、前記トンネル接合の幅は、前記メタサーフェス構造の幅よりも小さい請求項１～８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構造。

【請求項10】

前記トンネル接合の断面積は、前記フォトニック結晶構造の断面積よりも小さい請求項１～９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構造。

【請求項11】

前記トンネル接合の前記基板への垂直投影領域は、前記フォトニック結晶構造の前記基板への垂直投影領域内にある請求項１～１０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構造。

【請求項12】

前記基板、前記Ｎ型クラッド層及び前記活性層は、第１の方向に沿って配列され、前記第１の方向に垂直である第２の方向において、前記トンネル接合の幅は、前記フォトニック結晶構造の幅よりも小さい請求項１～１１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構造。

【請求項13】

前記Ｐ型クラッド層の上に設けられるとともに、前記第１のＮ型半導体層により取り囲まれる第１のＰ型半導体層を更に備え、前記トンネル接合は、前記第１のＰ型半導体層と前記第１のＮ型半導体層との間に位置する請求項１～１２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構造。

【請求項14】

前記トンネル接合は、第２のＰ型半導体層及び第２のＮ型半導体層を含み、前記第２のＰ型半導体層は、前記第１のＰ型半導体層と前記第２のＮ型半導体層との間に位置し、前記第２のＰ型半導体層のドーピング濃度は、前記第１のＰ型半導体層よりも大きく、前記第２のＮ型半導体層のドーピング濃度は、前記第１のＮ型半導体層よりも大きい請求項１３に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。

【請求項15】

前記トンネル接合の厚みは、５ナノメートルから１００ナノメートルまでの範囲内にある請求項１～１４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構造。

【請求項16】

前記活性層と前記フォトニック結晶構造との間に位置する電子閉じ込め層を更に備える請求項１～１５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構造。

【請求項17】

前記フォトニック結晶構造は、複数の周期的なホールを含む請求項１～１６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構造。

【請求項18】

前記周期的なホールの断面形状は、円形、四角形又は六角形である請求項１７に記載のフォトニック結晶面発光レーザ構造。