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(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】P2024142980
(43)【公開日】2024-10-11
(54)【発明の名称】フォトニック結晶面発光レーザ素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/185 20210101AFI20241003BHJP
H01S 5/11 20210101ALI20241003BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
H01S5/185
H01S5/11
H01S5/343 610
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023055413
(22)【出願日】2023-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
(71)【出願人】
【識別番号】000002303
【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100159628
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 雅比呂
(74)【代理人】
【識別番号】100147728
【弁理士】
【氏名又は名称】高野 信司
(74)【代理人】
【識別番号】110000800
【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】野田 進
(72)【発明者】
【氏名】小泉 朋朗
(72)【発明者】
【氏名】江本 渓
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AB53
5F173AB90
5F173AF38
5F173AF58
5F173AH22
5F173AJ13
5F173AK08
5F173AK20
5F173AL07
5F173AL13
5F173AL14
5F173AP05
5F173AP17
5F173AP33
5F173AP37
5F173AP42
5F173AR23
(57)【要約】 （修正有）
【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
【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１．０×１０１７～１．０×１０２０ｃｍ－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。
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１．０×１０１７～１．０×１０２０ｃｍ－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。
【請求項2】
前記埋込層のドーピング濃度は１．０×１０１８～１．０×１０２０ｃｍ－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２．０×１０１８～２．０×１０１９ｃｍ－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。
【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】
【特許文献1】特開２０２２－０４１７３８号公報
【特許文献2】特許第６１９２３７８号公報
【特許文献3】ＷＯ２０２１／１８６９６５ Ａ１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１．０×１０１７～１．０×１０２０ｃｍ－３の濃度でドーピングされている。
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１．０×１０１７～１．０×１０２０ｃｍ－３の濃度でドーピングされている。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】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2A】ＰＣＳＥＬ素子の上面を模式的に示す平面図である。
【図2B】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。
【図2C】ＰＣＳＥＬ素子の下面を模式的に示す平面図である。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】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。
【図8】ＰＣＳＥＬ素子の各半導体層のパラメータを示す表である。
【図9】埋込層のドナー濃度を２．０×１０１７ｃｍ－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。
【図10】埋込層のドナー濃度を２．０×１０１８ｃｍ－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。
【図11】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】
［第１の実施形態］
１．フォトニック結晶面発光レーザ素子の構造
フォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ素子）は、発光素子を構成する半導体発光構造層（ｎ側ガイド層、発光層、ｐ側ガイド層）と平行方向に共振器層を有し、当該共振器層に直交する方向にコヒーレントな光を放射する素子である。
１．フォトニック結晶面発光レーザ素子の構造
フォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ素子）は、発光素子を構成する半導体発光構造層（ｎ側ガイド層、発光層、ｐ側ガイド層）と平行方向に共振器層を有し、当該共振器層に直交する方向にコヒーレントな光を放射する素子である。
【0012】
すなわち、ＰＣＳＥＬ素子では、フォトニック結晶層（空孔層）に平行な面内を伝搬する光波はフォトニック結晶の回折効果により回折され２次元的な共振モードを形成するとともに、当該平行面に垂直な方向にも回折される。すなわち、ＰＣＳＥＬ素子では、共振方向（フォトニック結晶層に平行な面内）に対して、光取り出し方向が垂直方向である。
【0013】
図１Ａは、本発明の実施形態によるフォトニック結晶面発光レーザ素子（ＰＣＳＥＬ素子）１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。また、図１Ｂは、図１Ａのフォトニック結晶層１４Ｐ及びフォトニック結晶層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）対１４Ｋを模式的に示す拡大断面図である。
【0014】
また、図２Ａは、ＰＣＳＥＬ素子１０の上面を模式的に示す平面図である。また、図２Ｂは、フォトニック結晶層１４Ｐのｎ側ガイド層１４に平行な面における断面を模式的に示す断面図であり、図２Ｃは、ＰＣＳＥＬ素子１０の下面を模式的に示す平面図である。
図１Ａに示すように、半導体構造層１１が透光性の素子基板１２上に形成されている。なお、半導体構造層１１の中心軸ＣＸに垂直に半導体層が積層されている。
図１Ａに示すように、半導体構造層１１が透光性の素子基板１２上に形成されている。なお、半導体構造層１１の中心軸ＣＸに垂直に半導体層が積層されている。
【0015】
また、半導体構造層１１は、六方晶系の窒化物半導体からなる。本実施形態においては、半導体構造層１１は、例えば、ＧａＮ系半導体からなる。
【0016】
より詳細には、素子基板１２上に複数の半導体層からなる半導体構造層１１、すなわちｎ－クラッド層（第１導電型の第１のクラッド層）１３、ｎ側に設けられたガイド層であるｎ側ガイド層（第１のガイド層）１４、光分布調整層２３、活性層（ＡＣＴ）１５、ｐ側に設けられたガイド層であるｐ側ガイド層（第２のガイド層）１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７、ｐ－クラッド層（第２導電型の第２のクラッド層）１８、ｐ－コンタクト層１９がこの順で形成されている。
【0017】
なお、第１導電型がｎ型、第１導電型の反対導電型である第２導電型がｐ型の場合について説明するが、第１導電型及び第２導電型がそれぞれｐ型、ｎ型であってもよい。
【0018】
素子基板１２は、六方晶のＧａＮ単結晶であり、活性層１５から放射された光の透過率が高い基板である。より詳細には、素子基板１２は、主面（結晶成長面）が、Ｇａ原子が最表面に配列した｛０００１｝面である＋ｃ面の六方晶のＧａＮ単結晶基板である。裏面（光出射面）は、Ｎ原子が最表面に配列した（０００－１）面である－ｃ面である。－ｃ面は酸化等に対して耐性があるので光出射面として適している。
【0019】
素子基板１２はこれに限定されないが、いわゆるジャスト基板、又は、例えば、主面がｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板が好ましい。例えば、ｍ軸方向に０．３～０．７°程度までオフセットした基板は、広範な成長条件下にて鏡面成長を得ることができる。
【0020】
主面と対向する光出射領域２０Ｌ（図２Ｃ）が設けられた基板面（裏面、光出射面）は、Ｎ原子が最表面に配列した（０００－１）面である「－ｃ」面である。－ｃ面は酸化等に対して耐性があるので光取り出し面として適している。
【0021】
以下に各半導体層の組成、層厚等の構成について説明するが、例示に過ぎず、適宜改変して適用することができる。
【0022】
ｎ－クラッド層１３は、例えばＡｌ組成が４％のｎ－Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層であり、層厚は２μｍである。アルミニウム（Ａｌ）組成比は、活性層１５側に隣接する層（すなわち、ｎ側ガイド層１４）より屈折率が小さくなる組成としている。
【0023】
ｎ側ガイド層１４は、下ガイド層１４Ａ、空孔層（air-hole layer）であるフォトニック結晶層（ＰＣ層）１４Ｐ及び埋込層１４Ｂからなる。図１Ｂに示すように、フォトニック結晶層１４Ｐは層厚ｄＰＣを有し、埋込層１４Ｂは層厚ｄＥＭＢを有する。例えば、フォトニック結晶層１４Ｐの層厚ｄＰＣは４０～１８０ｎｍである。
【0024】
なお、本明細書において、フォトニック結晶層１４Ｐは、ｎ側ガイド層１４において空孔の上端から下端に至る層部分をいう（図１Ｂを参照）。したがって、フォトニック結晶層１４Ｐの層厚ｄＰＣは、空孔の高さに等しい。
【0025】
下ガイド層１４Ａは、例えば層厚が１００～４００ｎｍのｎ－ＧａＮである。フォトニック結晶層１４Ｐは、層厚（又は空孔１４Ｋの深さ）が４０～１８０ｎｍのｎ－ＧａＮである。
【0026】
埋込層１４Ｂは、ｎ－ＧａＮ又はｎ－ＩｎＧａＮからなる。あるいは、これらの半導体層が積層された層であってもよい。埋込層１４Ｂの層厚ｄＥＭＢは、例えば５０～１５０ｎｍである。なお、埋込層１４Ｂは、第１の埋込層１４Ｂ１及び第２の埋込層１４Ｂ２からなり、例えば、１×１０１８ｃｍ－３濃度のｎ型ドーパント（Ｓｉ）がドーピングされている。
なお、埋込層１４Ｂのうち光分布調整層２３に接する表面層である第２の埋込層１４Ｂ２にｎ型ドーパントがドープされていればよい。
なお、埋込層１４Ｂのうち光分布調整層２３に接する表面層である第２の埋込層１４Ｂ２にｎ型ドーパントがドープされていればよい。
【0027】
埋込層１４Ｂの表面層である第２の埋込層１４Ｂ２上には、第２の埋込層１４Ｂ２とは結晶組成が異なり、第２の埋込層１４Ｂ２とヘテロ構造を形成するヘテロ半導体層（異種半導体層）である光分布調整層２３が設けられている。
【0028】
すなわち、当該ヘテロ半導体層（光分布調整層２３）と第２の埋込層１４Ｂ２との間にはヘテロ界面が形成されている。
【0029】
なお、当該ヘテロ半導体層（光分布調整層２３）は第２の埋込層１４Ｂ２とは同一導電型の半導体層であるか、又は少なくとも一方がｉ層（真性半導体層）であってもよい。
光分布調整層２３は、埋込層１４Ｂと活性層１５との間に設けられ、フォトニック結晶層１４Ｐ内を伝搬する光と共振器としてのフォトニック結晶層１４Ｐとの結合効率を調整する機能を有する。
光分布調整層２３は、埋込層１４Ｂと活性層１５との間に設けられ、フォトニック結晶層１４Ｐ内を伝搬する光と共振器としてのフォトニック結晶層１４Ｐとの結合効率を調整する機能を有する。
【0030】
本実施形態においては、光分布調整層２３は、アンドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、例えば層厚は５０ｎｍである。光分布調整層２３の組成又は屈折率、及び層厚は、結合効率の調整に応じて選ばれる。
【0031】
なお、ｎ側ガイド層１４及び光分布調整層２３を含むｎ側半導体層を第１の半導体層とも称する。
【0032】
発光層である活性層１５は、例えば２つの量子井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）層である。ＭＱＷのバリア層及び量子井戸層は、それぞれＧａＮ（層厚６．０ｎｍ）及びＩｎＧａＮ（層厚４．０ｎｍ）である。また、活性層１５の発光中心波長は４４０ｎｍである。
【0033】
なお、活性層１５は、フォトニック結晶層１４Ｐから１８０ｎｍ以内（すなわち空孔の周期ＰＫ以内）に配置されていることが好ましい。この場合、フォトニック結晶層１４Ｐによる高い共振効果が得られる。
【0034】
ｐ側ガイド層１６は、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層（層厚７０ｎｍ）であるｐ側ガイド層(1)１６ＡとアンドープＧａＮ層（層厚１８０ｎｍ）であるｐ側ガイド層(2)１６Ｂとからなる。
【0035】
ｐ側ガイド層１６は、ドーパント（Ｍｇ：マグネシウム等）による光吸収を考慮してアンドープ層としたが、良好な電気伝導性を得るためにドープしても良い。また、発振動作モードの電界分布を調整するため、ｐ側ガイド層(1)１６ＡのＩｎ組成及び層厚は適宜選択することができる。
【0036】
電子障壁層(ＥＢＬ)１７は、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層であり、例えば。層厚１５ｎｍを有する。
【0037】
ｐ－クラッド層１８は、Ｍｇドープのｐ－Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層であり、例えば、層厚６００ｎｍを有する。ｐ－クラッド層１８のＡｌ組成は、ｐ側ガイド層１６よりも屈折率が小であるように選ばれていることが好ましい。ｐ－クラッド層１８は、第１のｐ－クラッド層として機能する。
【0038】
また、ｐ－コンタクト層１９は、Ｍｇドープのｐ－ＧａＮ層であり、例えば層厚２０ｎｍを有する。ｐ－コンタクト層１９のキャリア密度は、その表面に設けた透光性導電体層である透光性電極２９とオーミック接合できる濃度としている。ｐ型ＧａＮの代わりに、ｐ型またはアンドープＩｎＧａＮを用いてもよい。あるいは、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を積層させた層としてもよい。
【0039】
なお、ｐ側ガイド層１６、電子障壁層１７、ｐ－クラッド層１８及びｐ－コンタクト層１９からなる層を第２の半導体層とも称する。
【0040】
なお、本明細書において、「ｎ側」、「ｐ側」は、必ずしもｎ型、ｐ型を有することを意味するものではない。例えば、ｎ側ガイド層は活性層よりもｎ側に設けられたガイド層を意味し、アンドープ層（又はｉ層）であってもよい。
【0041】
また、ｎ－クラッド層１３は単一層ではなく複数の層から構成されていてもよく、その場合、全ての層がｎ層（ｎドープ層）である必要はなく、アンドープ層（ｉ層）を含んでいてもよい。ガイド層１６、ｐ－クラッド層１８についても同様である。
【0042】
また、上記した全ての半導体層を設ける必要はなく、第１導電型の第１の半導体層、第２導電型の第２の半導体層及びこれらの層に挟まれた活性層（発光層）を有する構成であればよい。
【0043】
ｐ－コンタクト層１９上には、ｐ電極２０Ｂ（第２の電極）として、透光性電極２９（図示せず）、銀（Ａｇ）層、金（Ａｕ）層が順に積層された、透光性電極／Ａｇ／Ａｕ層が形成されている。すなわち、ｐ電極２０Ｂは光反射層として機能し、透光性電極２９とｐ電極２０ＢのＡｇ層との界面が反射面ＳＲである。なお、反射面ＳＲはフォトニック結晶層１４Ｐと平行に設けられている。
【0044】
ｐ電極２０Ｂは、空孔形成領域１４Ｒの中心軸ＣＸを中心とする直径がＲＡの円形状を有している。具体的には、透光性電極２９は、上面視において（すなわち、半導体構造層１１に垂直な方向から見たとき）、例えばＲＡ＝３００μｍの直径を有している。なお、ｐ電極２０Ｂとして、Ｐｄ、Ａｌ、Ａｌ合金等を用いることもできる。また、ｐ電極２０Ｂ上にパッド電極等を設けてもよい。
【0045】
透光性電極２９は、透光性の導電体によって形成され、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で形成されている。なお、透光性電極２９は、ＩＴＯに限定されず、亜鉛錫酸化物（ＺＴＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ：Ｇａ）、ＡＺＯ（ＺｎＯ：Ａｌ）等の透光性導電体を用いることができる。
【0046】
半導体構造層１１の側面及び上面、並びにｐ電極２０Ｂの側面は、ＳｉＯ２などの絶縁膜２１で被覆されている。また、絶縁膜２１は、ｐ電極２０Ｂに乗り上げ、ｐ電極２０Ｂの上面の縁部を覆うように形成されている。
【0047】
絶縁膜２１は保護膜としても機能し、ＰＣＳＥＬ素子１０を構成するアルミニウム（Ａｌ）を含む結晶層を腐食性ガス等から保護する。また、付着物や実装時におけるはんだの這い上がりによる短絡等を防止し、信頼性、歩留まりの向上に寄与する。絶縁膜２１の材料はＳｉＯ２に限らず、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮｘ等を選択することができる。
【0048】
素子基板１２の裏面には円環状のカソード電極２０Ａ（第１の電極）が形成されている（図２Ｃを参照）。また、カソード電極２０Ａの内側には無反射（ＡＲ）コート層２７が形成されている。
【0049】
カソード電極２０Ａは、Ｔｉ／Ａｕからなり、素子基板１２とオーミック接触している。電極材料は、Ｔｉ／Ａｕ以外に、Ｔｉ/Ａｌ、Ｔｉ/Ｒｈ、Ｔｉ/Ａｌ/Ｐｔ/Ａｕ、Ｔｉ/Ｐｔ／Ａｕなどを選択することができる。
【0050】
活性層１５からの放射光はフォトニック結晶層（ＰＣ層）１４Ｐによって回折される。フォトニック結晶層１４Ｐによって回折され（回折面ＷＳ）、フォトニック結晶層１４Ｐから直接放出された光（直接回折光Ｌｄ：第１の回折光）と、フォトニック結晶層１４Ｐの回折によって放出され、反射面ＳＲによって反射された光（反射回折光Ｌｒ：第２の回折光）とが素子基板１２の裏面（出射面）１２Ｒの光出射領域２０Ｌ（図２Ｃ）から外部に出射される。
【0051】
図２Ｂに示すように、フォトニック結晶層１４Ｐにおいて空孔１４Ｋは、例えば矩形の空孔形成領域１４Ｒ内に周期的に配列されて設けられている。
【0052】
図２Ｃに示すように、アノード領域ＲＡは、空孔形成領域１４Ｒ内に包含されるように形成されている。
【0053】
また、カソード電極２０Ａは、フォトニック結晶層１４Ｐに対して垂直方向から見たときにｐ電極２０Ｂに重ならないようにｐ電極２０Ｂの外側に環状の電極として設けられている。
【0054】
カソード電極２０Ａの内側の領域が光出射領域２０Ｌである。また、カソード電極２０に電気的に接続され、外部からの給電用のワイヤを接続するボンディングパッド２０Ｃが設けられている。
【0055】
２．フォトニック結晶層の製法及び再結晶成長
以下に、フォトニック結晶層の作製工程及び再結晶成長について説明する。結晶成長方法としてＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法を用いた。なお、以下においては、フォトニック結晶層１４Ｐが二重格子フォトニック結晶層である場合を例にその形成方法について説明するが、単一格子フォトニック結晶層及び多重格子フォトニック結晶層も同様にして形成することができる。
以下に、フォトニック結晶層の作製工程及び再結晶成長について説明する。結晶成長方法としてＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法を用いた。なお、以下においては、フォトニック結晶層１４Ｐが二重格子フォトニック結晶層である場合を例にその形成方法について説明するが、単一格子フォトニック結晶層及び多重格子フォトニック結晶層も同様にして形成することができる。
【0056】
（ａ）ホールの形成
まず、基板１２上にｎ－クラッド層１３としてＡｌ組成が４％のｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層を成長した。続いて、ｎ－クラッド層１３上にｎ型ＧａＮ層を成長した。この成長層は、下ガイド層１４Ａと、フォトニック結晶層１４Ｐを形成するための準備層である。
まず、基板１２上にｎ－クラッド層１３としてＡｌ組成が４％のｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層を成長した。続いて、ｎ－クラッド層１３上にｎ型ＧａＮ層を成長した。この成長層は、下ガイド層１４Ａと、フォトニック結晶層１４Ｐを形成するための準備層である。
【0057】
上記準備層を形成後、基板をＭＯＶＰＥ装置のチャンバより取り出し、成長層表面に微細な凹部（ホール）を形成した。洗浄により清浄表面を得た後、プラズマＣＶＤを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）を成膜した。この上に電子線描画用レジストを塗布し、電子線描画装置に入れて２次元周期構造のパターニングを行った。
【0058】
図３は、レジストの主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２、及び、エッチング後のホール１４Ｈ１，１４Ｈ２を模式的に示す平面図である。図３に示すように、長円形状の主開口Ｋ１及び主開口Ｋ１よりも小なる副開口Ｋ２からなる開口対を周期ＰＫで正方格子状にレジストの面内で２次元配列したパターニングを行った。なお、図面の明確さのため、開口部にハッチングを施して示している。
【0059】
より詳細には、主開口Ｋ１は、その重心ＣＤ１が互いに直交する２方向（ｘ方向及びｙ方向）に周期ＰＫの正方格子の格子点上に２次元的に配列されている。副開口Ｋ２も同様に、その重心ＣＤ２がｘ方向及びｙ方向に周期ＰＫの正方格子の格子点上に２次元的に配列されている。
【0060】
主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２の長軸は結晶方位の＜１１－２０＞方向に平行であり、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２の短軸は＜１－１００＞方向に平行である。
【0061】
また、副開口Ｋ２の重心ＣＤ２は、主開口Ｋ１の重心ＣＤ１に対してΔｘ及びΔｙだけ離間している。ここでは、Δｘ＝Δｙとした。すなわち、副開口Ｋ２の重心ＣＤ２は、主開口Ｋ１の重心ＣＤ１から＜１－１００＞方向に離間している。
【0062】
また、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２の重心間距離Δｘ、Δｙを、Δｘ＝Δｙ＝０．４６ＰＫとした。パターニングしたレジストを現像後、ＩＣＰ－ＲＩＥ（Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）装置によってＳｉＮｘ膜を選択的にドライエッチングした。これにより周期ＰＫの正方格子の格子点上に２次元的に配列された主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２がＳｉＮｘ膜を貫通するように形成された。
【0063】
なお、周期（空孔間隔）ＰＫは、発振波長（λ）を４３８ｎｍとするため、ＰＫ＝１７７．５ｎｍとした。
【0064】
続いて、レジストを除去し、パターニングしたＳｉＮｘ膜をハードマスクとしてＧａＮ表面部に凹部（ホール）を形成した。ＩＣＰ－ＲＩＥ装置にて塩素系ガス及びアルゴンガスを用いてＧａＮを深さ方向にドライエッチングすることにより、ＧａＮ表面に垂直に掘られた長円柱状の主ホール１４Ｈ１及び副ホール１４Ｈ２を形成した。
【0065】
なお、上記エッチングによりＧａＮ表面部に掘られた凹部（ホール）をフォトニック結晶層１４Ｐにおける空孔（air-hole）と区別するため、単に主ホール及び副ホールと称する。また、主ホール１４Ｈ１，副ホール１４Ｈ２を特に区別しない場合には、これらを合わせてホール１４Ｈと称する場合がある。
なお、ホール１４Ｈの形状は長円柱状に限らず、円柱状、多角形状などであってもよい。
なお、ホール１４Ｈの形状は長円柱状に限らず、円柱状、多角形状などであってもよい。
【0066】
（ｂ）埋込層の形成（再結晶成長）
ホール１４Ｈを形成した基板を洗浄した後、再度ＭＯＶＰＥ装置のリアクタ内に導入し、再成長を行った。具体的には、アンモニア（ＮＨ3）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給して第１の埋込層１４Ｂ１を形成し、ホール１４Ｈの開口を閉塞した。
ホール１４Ｈを形成した基板を洗浄した後、再度ＭＯＶＰＥ装置のリアクタ内に導入し、再成長を行った。具体的には、アンモニア（ＮＨ3）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給して第１の埋込層１４Ｂ１を形成し、ホール１４Ｈの開口を閉塞した。
【0067】
また、同時に、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）を供給して、第１の埋込層１４Ｂ１に１×１０１８ｃｍ－３のＳｉをドープした。なお、ｎ型ドーパントはＳｉ以外にＧｅであっても良く、ｎ型ドーパントの供給原料としてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）やゲルマン（ＧｅＨ４）を用いることができる。
【0068】
すなわち、マストランスポートによってホール１４Ｈの形状が熱的に安定な面で構成される形状へと変形する第１の温度（９２０℃）で第１の埋込層１４Ｂ１を形成した。
【0069】
この第１の温度領域では、成長基板の最表面にはＮ原子が付着しているため、Ｎ極性面が選択的に成長される。したがって、表面には｛１－１０１｝ファセットが選択的に成長される。対向する｛１－１０１｝ファセットがそれぞれぶつかることで、ホール１４Ｈは閉塞され埋め込まれる。これにより第１の埋込層１４Ｂ１が形成される。
【0070】
続いて、主ホール１４Ｈ１及び副ホール１４Ｈ２を閉塞した後、厚さが５０ｎｍの第２の埋込層１４Ｂ２を成長した。第２の埋込層１４Ｂ２の成長は、基板温度（成長温度）を１０５０℃（第２の埋込温度）まで昇温後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＮＨ3及びシラン（ＳｉＨ４）を供給することで行った。なお、第２の埋込温度は、第１の埋込温度よりも高温であった。ただし、第２の埋込層１４Ｂ２の成長表面が（０００１）面となるように成長することができれば、第２の埋め込み温度と第１の埋め込み温度との温度関係は逆転しても良い。また、第２の埋込層１４Ｂ２に１×１０１８ｃｍ－３の濃度でＳｉをドープした。
【0071】
また、本実施例における第２の埋込層１４Ｂ２は、光とフォトニック結晶層１４Ｐとの結合効率（光フィールド）を調整するための光分布調整層としても機能する。
【0072】
すなわち、本実施形態における第１の埋込層１４Ｂ１及び第２の埋込層１４Ｂ２はＳｉをドープしたＧａＮ層である。しかし、第１の埋込層１４Ｂ１及び第２の埋込層１４Ｂ２は、ＧａＮに限らず、ｎ－ＧａＮ、ｎ－ＩｎＧａＮあるいは、これらの半導体層が積層された層を用いることができる。
【0073】
以上の埋込工程により、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２からなる空孔対１４Ｋが正方格子点の各々に２次元的に配置された二重格子構造のフォトニック結晶層１４Ｐが形成された。ここで、副空孔１４Ｋ２は主空孔１４Ｋ１よりも空孔径及び高さが小さい。
【0074】
なお、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２を特に区別しない場合には、これらを合わせて空孔１４Ｋと称する場合がある。
【0075】
図４は、形成されたフォトニック結晶層１４Ｐの、中心軸ＣＸに垂直な断面を模式的に示す図である。III族窒化物においてホールを埋め込む際には、マストランスポートによってホール１４Ｈの形状が熱的に安定な面で構成される形状へと変形し空孔１４Ｋが形成される。
【0076】
すなわち、＋ｃ面基板においては、ホール１４Ｈの内側面は（１－１００）面（すなわち、ｍ面）へと形状変化する。すなわち、長円柱状の形状から側面がｍ面で構成される長六角柱状の空孔１４Ｋへと形状変化する。
【0077】
形成された主空孔１４Ｋ１は、長径が７２．５ｎｍ及び短径が４３．５ｎｍであり、長径／短径比は１．６７である長六角柱形状を有していた。また、副空孔１４Ｋ２は長径が４４．６ｎｍ及び短径が３８．３ｎｍであり、長径／短径比は１．１６であり、主空孔１４Ｋ１よりも正六角柱に近い長六角柱形状を有していた。
【0078】
また、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２の重心間距離Δｘ及びΔｙは、８１．６ｎｍ（Δｘ＝Δｙ＝０．４６ＰＫ）であり、埋め込み前から変化していないことが確認された。また、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２の長軸は＜１１－２０＞軸（すなわち、ａ軸）に平行であることが確認された。
【0079】
また、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２の空孔充填率（フィリングファクタ）ＦＦ１，ＦＦ２を算出したところ、ＦＦ１＝８．８％、ＦＦ２＝４．２％であった。ここで空孔充填率とは、２次元的な規則配列において、単位面積あたりの各空孔が占める面積の割合である。具体的には、フォトニック結晶層１４Ｐにおける主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２の面積をそれぞれＳ１、Ｓ２としたとき、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２の空孔充填率ＦＦ１，ＦＦ２は次の式で与えられる。
【0080】
ＦＦ１＝Ｓ１／ＰＫ２， ＦＦ２＝Ｓ２／ＰＫ２
以上の工程により、空孔層であるフォトニック結晶層１４Ｐを含むｎ側ガイド層１４の形成が完了した。
以上の工程により、空孔層であるフォトニック結晶層１４Ｐを含むｎ側ガイド層１４の形成が完了した。
【0081】
（ｃ）光分布調整層、活性層及びｐ半導体層の成長
埋込層１４Ｂの成長に続いて、ＭＯ原料の供給を切り替えて、光分布調整層２３を順次成長した。
埋込層１４Ｂの成長に続いて、ＭＯ原料の供給を切り替えて、光分布調整層２３を順次成長した。
【0082】
本実施形態においては、光分布調整層２３は、埋込層１４Ｂとは結晶組成の異なる半導体からなる。具体的には、光分布調整層２３はアンドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、埋込層１４Ｂ（ＧａＮ層）とヘテロ構造を形成するヘテロ半導体層（異種半導体層）である。なお、埋込層１４Ｂを構成する半導体層は光分布調整層２３を構成する半導体層に比べて、a軸方向の格子定数が小さくなる。つまり、ガイド層１４を構成する、下ガイド層１４Ａ、フォトニック結晶層１４Ｐ及び埋込層１４Ｂは、同じ格子定数で構成される。しかしながら、光分布調整層２３は、ｎ側ガイド層１４上からエピタキシャル成長している。従って、ａ軸は圧縮されて、ｃ軸は伸長して分極が大きくなる。よって、後述する図９に示すようなバンド障壁（ＢＢ）が生じる。このバンド障壁（ＢＢ）は、例えばＧａＮ上にＡｌＧａＮを成長させた場合のような、格子定数差の小さい半導体成長過程では起きない。
【0083】
続いて、光分布調整層２３上に、活性層１５、ｐ側ガイド層（第２のガイド層）１６、電子障壁層（ＥＢＬ）１７、ｐ－クラッド層１８、ｐ－コンタクト層１９を順次成長した。以上により、ＰＣＳＥＬ素子１０が作製された。
【0084】
３．ＰＣＳＥＬ素子の特性
（ａ）本実施形態のＰＣＳＥＬ素子の特性
複数のＰＣＳＥＬ素子１０のサンプルを作製し、それらの電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）を評価した。図５は、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。
（ａ）本実施形態のＰＣＳＥＬ素子の特性
複数のＰＣＳＥＬ素子１０のサンプルを作製し、それらの電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）を評価した。図５は、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。
【0085】
ここで、実施例のサンプル１～３（ＥＸ．１～ＥＸ．３）は、上記で説明した構造を有するＰＣＳＥＬ素子１０である。また、サンプル４（ＥＸ．４）は、サンプル１～３の特性評価の参照基準とするリファレンス・サンプルである。具体的には、サンプル４（ＥＸ．４）は、フォトニック結晶層１４Ｐを有しない点においてＰＣＳＥＬ素子１０と異なり、その他はＰＣＳＥＬ素子１０と同一の構造を有する面発光素子である。
【0086】
より詳細には、リファレンス・サンプル４（ＥＸ．４）の面発光素子は次のように作製した。まず、基板１２上にｎ－クラッド層１３を成長し、続いて、ｎ－クラッド層１３上にｎ型ＧａＮ層を成長した。続いて、基板を一度ＭＯＰＶＥ装置のリアクタから取り出し、基板を洗浄した後、再度ＭＯＶＰＥ装置のリアクタ内に導入し、再成長を行った。
【0087】
図５に示すように、本実施形態の各ＰＣＳＥＬ素子（ＥＸ．１～ＥＸ．３）は、ほぼ同一の閾値及び効率を示し、良好なＩ－Ｖ特性を有していることが確認された。
【0088】
また、サンプル１～３（ＥＸ．１～ＥＸ．３）の各ＰＣＳＥＬ素子は、フォトニック結晶層１４Ｐ（ＰＣ層）を有しないリファレンス・サンプル４（ＥＸ．４）の面発光素子と比較しても遜色の無い良好なＩ－Ｖ特性を有していることが確認された。
【0089】
（ｂ）比較例のＰＣＳＥＬ素子の特性
本実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０の比較例として複数のＰＣＳＥＬ素子及び面発光素子を作製し、それらの電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）を評価した。図６は、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。
本実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０の比較例として複数のＰＣＳＥＬ素子及び面発光素子を作製し、それらの電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）を評価した。図６は、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。
【0090】
具体的には、比較例のサンプル１～５（ＣＸ．１～ＣＸ．５）の面発光素子においては、埋込層１４Ｂ（第１の埋込層１４Ｂ１及び第２の埋込層１４Ｂ２）は、ドーパントをドープしていないアンドープ層であり、この点において、実施例のサンプル１～４（ＥＸ．１～ＥＸ．４）のＰＣＳＥＬ素子１０とは異なっている。
【0091】
より詳細には、比較例１～３（ＣＸ．１～ＣＸ．３）のＰＣＳＥＬ素子は、埋込層１４Ｂがアンドープ層である点のみにおいて、実施例のサンプル１～３（ＥＸ．１～ＥＸ．３）のＰＣＳＥＬ素子１０とは異なっている。
【0092】
また、比較例のサンプル４（ＣＸ．４）の面発光素子は、フォトニック結晶層１４Ｐを有しない点において比較例のサンプル１～３（ＣＸ．１～ＣＸ．３）のＰＣＳＥＬ素子と異なる。なお、再成長を行った点においては実施例のリファレンス・サンプル４（ＥＸ．４）の面発光素子と同じである。
【0093】
比較例のサンプル５（ＣＸ．５）の面発光素子は、フォトニック結晶層１４Ｐを有さず、ｎ－クラッド層１３上にｎ型ＧａＮ層成長した後に、ｎ型ＧａＮ層上にアンドープＧａＮを連続成長した素子である。すなわち、凹部（ホール）を形成するプロセスを行わず、結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）内でｎ－クラッド層１３上に続いてｎ型ＧａＮ層およびアンドープＧａＮ層を連続成長した素子である。その他はＰＣＳＥＬ素子１０と同一の構造を有する面発光素子である。比較例のサンプル４とサンプル５との違いは、成長の途中でＭＯＶＰＥ装置から取り出して再成長を行うか、ＭＯＶＰＥ装置から取り出さずに連続成長するかの点においてのみ製造方法が異なり、積層構造については同一の面発光素子である。
【0094】
図６に示すように、比較例のサンプル１～３（ＣＸ．１～ＣＸ．３）のＰＣＳＥＬ素子及びサンプル４（ＣＸ．４）の面発光素子では、フォトニック結晶層１４Ｐを有さず、連続成長によって形成したサンプル５（ＣＸ．５）の面発光素子と比較して、駆動電圧が上昇し、微分抵抗が極めて大きくなる。
【0095】
（ｃ）比較例のＰＣＳＥＬ素子における駆動電圧上昇の原因
図７は、再成長によって形成されるＰＣＳＥＬ素子の深さ方向のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）の測定結果（ＳＩＭＳプロファイル）を示している。なお、図の明確さのため、各半導体層については、それらの参照符号で示している。例えば、「１４Ｂ」は埋込層１４Ｂを、「２３」は光分布調整層（ヘテロ半導体層）２３を示している。
図７は、再成長によって形成されるＰＣＳＥＬ素子の深さ方向のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）の測定結果（ＳＩＭＳプロファイル）を示している。なお、図の明確さのため、各半導体層については、それらの参照符号で示している。例えば、「１４Ｂ」は埋込層１４Ｂを、「２３」は光分布調整層（ヘテロ半導体層）２３を示している。
【0096】
図７に示すように、埋込層１４Ｂは再成長界面に近いため、ＭＯＣＶＤ成長中のメモリ効果によりＭｇなどの意図しない元素の取り込みが発生しドナー濃度が低くなる。なお、この現象は、空孔の有無にかかわらず発生する。
【0097】
また、空孔を埋め込む場合、｛１－１０１｝ファセットを選択成長させることで空孔を閉塞し、ＧａＮ層中に空孔を埋め込む。このとき、（０００１）面成長に比べて雰囲気中に存在する不純物の取り込みが多くなるため、ドナーが補償され、さらに駆動電圧が上昇すると考えられる。
【0098】
（ｄ）本実施形態のＰＣＳＥＬ素子の特性改善
上記したように、本実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０においては、埋込層１４Ｂ（すなわち第１の埋込層１４Ｂ１及び第２の埋込層１４Ｂ２にｎ型ドーパントをドープしている。
上記したように、本実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０においては、埋込層１４Ｂ（すなわち第１の埋込層１４Ｂ１及び第２の埋込層１４Ｂ２にｎ型ドーパントをドープしている。
【0099】
埋込層１４Ｂのドナー濃度を変化させた時のＩ－Ｖ特性を、デバイスシミュレータAtlasを用いてシミュレーションを行った。
【0100】
図８は、シミュレーションに用いたＰＣＳＥＬ素子の各半導体層のパラメータを示す表である。層構成（layer config.）中の「x.comp」は、各半導体層（Material）の組成ｘ（ＩｎｘＧａ１－ｘＮ，ＡｌｘＧａ１－ｘＮ）を、「Thick(nm)」は層厚を示している。また、「Doping profiles」は各半導体層（Material）の導電型及びドーピング濃度（Conc(cm-3)）を示している。なお、III族窒化物半導体において、アンドープ層はわずかにｎ型伝導性を示すため、導電型はｎ型として表記し、ドーピング濃度は５．０×１０１６ｃｍ－３とした。
【0101】
本シミュレーションでは、埋込層１４Ｂのｎ濃度を１．０×１０１７～２．０×１０１８ｃｍ－３の範囲で変化させて計算を行った。
【0102】
図９及び図１０は、それぞれ埋込層１４Ｂのドナー濃度（Ｎｄ）を２．０×１０１７ｃｍ－３、２．０×１０１８ｃｍ－３としたときの、伝導帯のエネルギーバンド、及び、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。
【0103】
図９に示すように、ドナー濃度（Ｎｄ）が２．０×１０１７ｃｍ－３のとき、光分布調整層（ヘテロ半導体層）２３（ＩｎＧａＮ）と埋込層１４Ｂ（ＧａＮ）との界面はピエゾ分極により空乏化され、埋込層１４Ｂから注入される電子に対するバンド障壁（ＢＢ、破線で囲んで示している）が形成されていることが分かる。
【0104】
バンド障壁（ＢＢ）が高いとき、界面の障壁高さが低くなるまで電圧が印加されないと電流が流れず、埋込層１４Ｂのドナー濃度が低すぎる場合には駆動電圧が上昇してしまう。
【0105】
図１０に示すように、ドナー濃度（Ｎｄ）を２．０×１０１８ｃｍ－３に増加させると、光分布調整層（ヘテロ半導体層）２３と埋込層１４Ｂとの界面のバンド障壁が低下することが分かる（図９を参照）。また、ドナー濃度（Ｎｄ）が２．０×１０１８ｃｍ－３以上であれば、バンド障壁が極めて大きく改善されることが分かる。
【0106】
ＰＣＳＥＬ素子においては、埋め込み成長（再成長）時において不純物（Ｍｇ，Ｃなど）が入り込み易く、ドナーが補償される。また、ファセット成長時の欠陥導入によって意図しないアクセプタが導入される。したがって、ＰＣＳＥＬ素子においては、当該補償効果によって生じるヘテロ半導体層と埋込層との界面におけるバンド障壁が素子特性を大きく損なうものと解される。
【0107】
図１１は、埋込層１４Ｂのドナー濃度（Ｎｄ）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。この結果、ドナー濃度（Ｎｄ）が高くなるほどＩ－Ｖ特性は良好となり、ドナー濃度を１．０×１０１８ｃｍ－３まで増加させることによって特性を大きく改善できることが分かった。また、ドナー濃度が２．０×１０１８ｃｍ－３以上で特性改善は飽和することが分かった。なお、図中、矢印はドナー濃度Ｎｄの増加方向を示している。
【0108】
一方、Ｉ－Ｖ特性のシミュレーションにおいて、埋込層１４Ｂのｎ濃度が１．０×１０１７ｃｍ－３以下では、計算値が発散した。すなわち、光分布調整層（ヘテロ半導体層）２３（ＩｎＧａＮ）と埋込層１４Ｂ（ＧａＮ）との界面の障壁が高く、電流が流れないことが分かった。
【0109】
すなわち、埋込層１４Ｂへのドーピング濃度は、２．０×１０１７ｃｍ－３以上であることが好ましく、再成長におけるメモリ効果のオートドープ（５．０×１０１６ｃｍ－３程度）及びドナーの取り込みを考慮すると１．５×１０１７ｃｍ－３以上がさらに好ましい。また、Ｉ－Ｖ特性の改善効果の点で、１．０×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましく、２．０×１０１８ｃｍ－３以上であることがさらに好ましい。
【0110】
また、一般的なドーパントとして用いられるＳｉは１．０×１０２０ｃｍ－３程度までドーピングすると、極性反転が発生し表面モフォロジが悪化するため、埋込層１４Ｂのドーピング濃度は１．０×１０２０ｃｍ－３以下であることが好ましい。
【0111】
また、埋込層１４Ｂの成長面の表面粗さによる再成長層への影響を考慮すると、埋込層１４Ｂのドーピング濃度は２．０×１０１９ｃｍ－３以下であることがさらに好ましい。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、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ができる。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、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ができる。
【0112】
なお、上記した実施形態における数値等は、特に示した場合を除き、例示に過ぎず適宜改変して適用することができる。また、二重格子構造のＰＣＳＥＬ素子について例示したが、単一格子構造のＰＣＳＥＬ素子、及び一般に多重格子構造のＰＣＳＥＬ素子について適用することができる。
【0113】
また、本発明は、空孔が六角柱形状を有するフォトニック結晶層について例示したが、フォトニック結晶層の空孔が円柱状、矩形状、多角形状、またティアドロップ形状などの不定柱形状を有する場合についても適用することができる。
【符号の説明】
【0114】
１０：ＰＣＳＥＬ素子
１２：素子基板
１３：第１のクラッド層
１４：第１のガイド層
１４Ａ：下ガイド層
１４Ｂ：埋込層
１４Ｂ１：第１の埋込層
１４Ｂ２：第２の埋込層
１４Ｋ：空孔／空孔対
１４Ｋ１／１４Ｋ２：主／副空孔
１４Ｐ：フォトニック結晶層（空孔層）
１５：活性層
１６：第２のガイド層
１７；電子障壁層
１８：第２のクラッド層
１９：コンタクト層
２３：光分布調整層（ヘテロ半導体層）
１２：素子基板
１３：第１のクラッド層
１４：第１のガイド層
１４Ａ：下ガイド層
１４Ｂ：埋込層
１４Ｂ１：第１の埋込層
１４Ｂ２：第２の埋込層
１４Ｋ：空孔／空孔対
１４Ｋ１／１４Ｋ２：主／副空孔
１４Ｐ：フォトニック結晶層（空孔層）
１５：活性層
１６：第２のガイド層
１７；電子障壁層
１８：第２のクラッド層
１９：コンタクト層
２３：光分布調整層（ヘテロ半導体層）
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】