半導體發光元件及其制造方法

專利名稱：半導體發光元件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及使用了在基板上生長的光子晶體的表面發光型的半導體發光元件及其制造方法。
背景技術：
作為現有的使用了光子晶體的半導體發光元件，例如公開在(日本)特開平11-330619號公報、特開2001-308457號公報、特開2001-9800號公報(美國專利公開第2002/0109134號說明書)、特開昭63-205984(美國專利第4847844號說明書)、以及特開2002-062554號公報等上。
此外，同樣地，還公開在‘今田他應用物理學75(1999)316(Appl.Phys.Lett.75(1999)316’中。圖1是表示使用了公開在該‘今田他’上的光子晶體的現有的半導體發光元件結構的立體圖。如圖1所示，在n型InP基板51上，依次疊層n型InP光子晶體層52、n型InP下部覆蓋層53、InGaAsP構成的量子阱有源層54、p型InP上部覆蓋層55。此外，在n型InP基板51的背面形成有下部電極57，在p型InP上部覆蓋層55的表面上形成有直徑350μm左右的圓形的上部電極56。而且，在n型InP光子晶體層52中周期性地形成有多個直徑0.2μm左右的圓形的凹部59。
為了形成多個凹部59，使n型InP光子晶體層在n型InP基板1上生長，另一方面，在另一基板上依次生長p型InP上部覆蓋層55、量子阱有源層54、以及n型InP下部覆蓋層53。然后，使n型InP下部覆蓋層53和n型InP光子晶體層52的表面接觸，通過在氫環境中退火來熔融(參照箭頭60)。然后，通過除去生長了p型InP上部覆蓋層55的基板，在其表面上形成圓形的上部電極56，同時在n型InP基板1的背面上形成下部電極57，來制造上述那樣構成的半導體發光元件。
在上述那樣制造的半導體發光元件中，在上部電極56和下部電極57之間流過電流時，可確認在閾值電流2A以上時有受激發射，可獲得振蕩波長為1.3μm的單一模式。此外，由上部電極56的外周部58獲得發光。
這樣，在現有的半導體發光元件中，存在閾值電流為比較大的2A的問題。
此外，由于上部電極56是圓形的電極，所以存在光的極化面具有各個方向的問題。再有，通過使凹部59的形狀為橢圓形來使極化面一致，但難以形成多個形狀一致的橢圓形狀的凹部59。
此外，即使是具有相同極化面的光，因存在兩個穩定的發光模式而有發光波長不穩定的問題。
而且，如上所述，通過將晶體之間熔融來制造半導體發光元件，但存在難以熔融大口徑基板的整個表面的問題。

發明內容
本發明是鑒于上述情況產生的發明，其目的在于，提供一種閾值電流低、而且可控制光的極化面的半導體發光元件及其制造方法。
為了實現該目的，本發明的半導體發光元件包括半導體基板；形成在所述半導體基板上的半導體疊層體，該半導體疊層體包含下部覆蓋層、具有相對于所述半導體基板而平行的方向的諧振器的有源層、上部覆蓋層；連接到所述上部覆蓋層，在諧振器方向上延長的條紋狀的上部電極；以及連接到所述下部覆蓋層的下部電極，其中，所述半導體疊層體有將多個凹部或凸部在諧振器方向上周期性排列的光子晶體結構，所述光子晶體結構在俯視觀察時至少一部分與所述上部電極不重疊，而且與所述上部電極在諧振器方向上并排形成，在所述上部電極和所述下部電極之間施加規定的電壓時，在所述光子晶體結構的平面觀察中從與所述上部電極不重疊的區域發光。
此外，在所述本發明的半導體發光元件中，優選在所述上部覆蓋層中形成有所述凹部或凸部。
此外，在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述凹部或凸部延伸至所述上部覆蓋層、所述有源層、以及所述下部覆蓋層而形成。
此外，在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述凹部或凸部的形狀為圓柱狀。
此外，在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述凹部或凸部的形狀為平板狀。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述諧振器的寬度在2μm以上10μm以下。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述諧振器的長度在20μm以上50μm以下。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述諧振器方向為<110>方向或<-110>方向。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述凹部或凸部排列成矩形點陣(rectangular lattice)狀，所述凹部或凸部的一排列方向與諧振器方向相同，另一排列方向與諧振器方向垂直。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔與所述另一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔有所不同。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選所述一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔比所述另一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔大。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選在所述半導體疊層體的兩端面上形成有反射膜。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選在所述半導體疊層體的周圍形成有由以規定間隔排列的多個凹部或凸部構成的光子晶體結構。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選遍及所述半導體疊層體的上面的整個面形成所述凹部或凸部。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選在所述光子晶體結構的俯視觀察時不與所述上部電極重疊的區域是所述半導體疊層體的中央部。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選諧振器方向上相鄰的凹部或凸部中的一部分的凹部或凸部間的間隔比其他凹部或凸部間的間隔僅大波長/(有效折射率×4)。
在所述本發明的半導體發光元件中，優選包括多個所述半導體疊層體，所述多個半導體疊層體被相互交叉地配置。
此外，本發明提供一種半導體發光元件的制造方法，該半導體發光元件包括半導體基板；半導體疊層體，該半導體疊層體包括形成于所述半導體基板上的下部覆蓋層、具有相對于所述半導體基板而在平行的方向的諧振器的有源層和上部覆蓋層；連接到所述上部覆蓋層的上部電極；以及連接到所述下部覆蓋層的下部電極，該半導體發光元件構成為在對于所述半導體基板大致垂直的方向上發光，其特征在于，該制造方法包括利用外延生長法使所述半導體疊層體在所述半導體基板上生長的工序；通過在所述半導體疊層體上實施蝕刻，形成由在諧振器方向上周期性排列的多個凹部構成的光子晶體結構的工序；以及在俯視觀察中，將在諧振器方向上延長的條紋狀的所述上部電極形成在所述上部覆蓋層上，使其與所述光子晶體結構的至少一部分不重疊，而且與所述光子晶體結構在諧振器方向上并排的工序。
而且，本發明提供一種半導體發光元件的制造方法，該半導體發光元件包括半導體基板；半導體疊層體，該半導體疊層體包括形成于所述半導體基板上的下部覆蓋層、具有相對于所述半導體基板而在平行的方向的諧振器的有源層和上部覆蓋層；連接到所述上部覆蓋層的上部電極；以及連接到所述下部覆蓋層的下部電極，該半導體發光元件在相對于所述半導體基板而大致垂直的方向上發光；其特征在于，該制造方法包括使所述半導體疊層體在所述半導體基板上外延生長的工序；通過在所述半導體疊層體的所述上部覆蓋層上使晶體選擇生長，形成由在諧振器方向上周期性排列的多個凹部構成的光子晶體結構的工序；以及在俯視觀察中，將在諧振器方向上延長的條紋狀的所述上部電極形成在所述上部覆蓋層上，以使其與所述光子晶體結構的至少一部分不重疊，而且與所述光子晶體結構在諧振器方向上并排的工序。
在參照添加附圖下，從以下的適當實施方式的詳細說明中，本發明的上述目的、其他目的、特征和特點將會變得更加清楚。


圖1是表示現有的使用了光子晶體的現有的半導體發光元件結構的立體圖。
圖2是表示本發明實施方式1的半導體發光元件結構的俯視圖。
圖3是圖2的III-III線向視圖。
圖4是圖2的IV-IV線向視圖。
圖5是說明本發明的實施方式1的半導體發光元件的制造方法的說明圖，圖5(a)是表示該半導體發光元件結構的截面圖，圖5(b)至圖5(d)是表示該半導體發光元件結構的俯視圖。
圖6是表示本發明的實施方式1的半導體發光元件的變形例的結構的截面圖。
圖7是說明本發明的實施方式1的半導體發光元件的發光狀態的說明圖，圖7(a)是表示沒有形成光子晶體的區域中的光的波數和能量之間關系的圖，圖7(b)是表示光子晶體結構中的光的波數和能量之間關系的圖。
圖8是表示本發明的實施方式2的半導體發光元件結構的俯視圖。
圖9是說明本發明的實施方式2的半導體發光元件的制造方法的說明圖，(a)是表示該半導體發光元件結構的截面圖，(b)至(d)是表示該半導體發光元件結構的俯視圖。
圖10是說明本發明的實施方式2的半導體發光元件的發光狀態的說明圖，(a)是表示諧振器方向的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖，(b)是表示與該諧振器方向垂直的方向上的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖。
圖11是表示本發明的實施方式3的半導體發光元件結構的圖，(a)是表示其結構的俯視圖，(b)是(a)的A-A線向視圖。
圖12是表示本發明的實施方式3的半導體發光元件的變形例結構的圖，(a)是表示其結構的俯視圖，(b)是(a)的B-B線向視圖。
圖13是表示本發明的實施方式4的半導體發光元件結構的圖，(a)是表示其結構的俯視圖，(b)是(a)的C-C線向視圖。
圖14是表示本發明的實施方式4的半導體發光元件的變形例結構的圖，(a)至(d)是表示其結構的俯視圖，(e)是表示該半導體發光元件的條紋結構內部的光強度變化的圖。
圖15是表示本發明的實施方式5的半導體發光元件結構的圖，(a)是表示其結構的俯視圖，(b)是表示變形例結構的截面圖，(c)是表示該半導體發光元件的條紋結構內部的光強度變化的圖。
圖16是說明本發明的實施方式5的半導體發光元件的發光狀態的說明圖，(c)是表示(a)的α方向(諧振器方向)的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖，(b)是表示β方向(與諧振器方向垂直的方向)的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖。
圖17是說明本發明的實施方式6的半導體發光元件的圖，(a)是表示該半導體發光元件結構的俯視圖，(b)是表示該半導體發光元件的工作原理的圖，(c)是表示電場的舉動的圖。
圖18是表示本發明的實施方式6的半導體發光元件的變形例結構的圖，(a)是表示該變形例結構的俯視圖，(b)是表示另一變形例結構的俯視圖。
圖19是說明本發明的實施方式6的半導體發光元件的制造方法的說明圖，(a)是表示該半導體發光元件結構的截面圖，(b)至(d)是表示該半導體發光元件結構的俯視圖。
圖20(a)至(d)是表示本發明的實施方式6的半導體發光元件的另一變形例結構的俯視圖。
圖21是說明本發明的實施方式6的半導體發光元件的變形例的制造方法的說明圖，(a)是表示該變形例結構的截面圖，(b)至(d)是表示該變形例結構的俯視圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖來詳細說明本發明的實施方式。
(實施方式1)圖2是表示本發明的實施方式1的半導體發光元件結構的俯視圖。而圖3是圖2的III-III線向視圖，圖4是圖2的IV-IV線向視圖。再有，本實施方式的半導體發光元件的發光波長為1.3μm。
如圖2至圖4所示，在n型InP基板1上形成條紋結構10。該條紋結構10是依次疊層n型InP下部覆蓋層3(厚度100nm)、InGaAsP/InGaAsP量子阱有源層4(以下，簡稱為有源層4)、p型InP上部覆蓋層5(厚度50nm)而構成。這里，有源層4是5對的In0.9Ga0.1As0.2P0.8阻擋層(厚度10nm，組成波長1.1μm，晶格變形0％)、In0.9Ga0.1As0.5P0.5阱層(厚度4nm，量子阱波長1.3μm，晶格變形1％)、以及導波路徑(引導)層構成的變形量子阱結構。將條紋結構10的端面剖開，其結果是有源層4具有對于n型InP基板1作為平行方向的諧振器的功能。此外，在p型InP上部覆蓋層5中，形成有通過將多個圓柱狀的凹部9排列成矩形點陣狀而獲得的光子晶體結構2。然后，在相鄰的凹部9的兩個排列方向(圖2中的α方向和β方向)中，使其中任何一個方向(在圖2中為α方向)與諧振器方向一致。
再有，在本說明書中，‘諧振器方向’是圖2中作為α方向表記的方向，即，指矩形的諧振器的長邊方向。
在n型InP基板1的背面上形成下部電極7。另一方面，在p型InP上部覆蓋層5的表面，在平面觀察中，在沒有形成光子晶體結構2的區域中，形成寬度比p型InP上部覆蓋層5窄的條紋狀的上部電極6。這里，光子晶體結構2和上部電極6在平面觀察中在諧振器方向上并排。
再有，在有源層4、即諧振器的寬度窄至2μm左右時外部微分量子效率上升，但隨著注入電流增加，輸出光強度飽和。另一方面，在將該條紋結構的寬度W擴寬到10μm左右時，在光子晶體結構2內橫方向(諧振器的寬度方向)上也可以抑制光，所以可抑制輸出飽和，但在光子晶體結構2以外的區域中光的模式不穩定。因此，在光子晶體結構2的耦合系數比較小時，在諧振器的寬度W的增大上有限制。根據這樣的情況，優選諧振器的寬度W在2μm至10μm左右。
下面，說明這樣構成的本實施方式的半導體發光元件的制造方法。
圖5是說明本發明的實施方式1的半導體發光元件的制造方法的說明圖，圖5(a)是表示該半導體發光元件結構的截面圖，圖5(b)至圖5(d)是表示該半導體發光元件結構的俯視圖。
如圖5(a)所示，在n型InP基板1上，根據MOVPE(Metalorganicvapor phase epitaxy)法等公知的結晶生長方法來外延生長摻雜了Si的n型InP下部覆蓋層3(厚度100nm)、不摻雜的有源層4(厚度14nm)、以及摻雜了Zn的p型InP上部覆蓋層5(厚度50nm)。這里，在有源層4中有意地不添加雜質而不進行摻雜的原因在于，抑制帶電電子帶的吸收和自由電子的吸收。
接著，以SiO2膜作為蝕刻掩模，使用Cl2氣體和CH4氣體，通過ICP干法蝕刻為圓形狀而形成多個圓柱狀的凹部9。這種情況下，如圖5(b)所示，各凹部9以排列成矩形點陣狀而形成。這些多個凹部9周期性排列的區域成為光子晶體結構2。該凹部9的周期(相鄰的凹部間的間隔)與光的波長相同。因此，在本實施方式的情況下為1.3μm左右。
接著，如圖5(c)所示，為了形成條紋結構，將p型InP上部覆蓋層5至n型InP基板1的一部分用磷酸類蝕刻劑進行蝕刻。然后，如圖5(d)所示，將條紋狀的Cr/Pt/Au作為上部電極6鍍敷在p型InP上部覆蓋層5的表面上，將Au-Sn電極鍍敷在n型InP基板1的背面上。這種情況下，通過發射(lift-off)在p型InP上部覆蓋層5的表面上形成上部電極6，以便平面觀察中與光子晶體結構2在諧振器方向上并排來形成。
如上所述，將多個凹部9以矩形點陣狀排列，但如圖5(d)所示，在凹部9的排列方向中，將α方向與諧振器方向一致來排列。
通過以上的工序，可以制造本實施方式的半導體發光元件。
再有，如上所述，在形成凹部9的情況時，光子晶體結構2的長度(α方向)為2μm以上時，如圖3所示，優選在p型InP上部覆蓋層5中停止蝕刻，以便不蝕刻有源層4。由此，由于可以抑制對有源層4產生的損傷，所以可提高發光效率。
此外，在光子晶體結構2的長度(α方向)為10μm以下時，如圖6所示，優選穿越有源層4直至蝕刻到n型InP下部覆蓋層3。這樣，在光子晶體結構2的長度為10μm以下比較小的情況下，會使光子晶體產生的效果減小。因此，為了光容易與光子晶體進行耦合，直至蝕刻到n型InP下部覆蓋層3，以使光的分布的大部分受到光子晶體產生的衍射。這種情況下，受到干法蝕刻造成的損傷，但在用Cl2氣體蝕刻后，通過用CH4或SF6蝕刻受到損傷的區域，可以抑制閾值電流的增大。
本實施方式的情況下，諧振器方向為解理性(cleavage)上優良的<110>或<-110>方向。但是，在通過蝕刻形成諧振器的情況下，在諧振器方向上沒有特別限定。但是，為了使蝕刻端面的垂直性良好，優選諧振器方向為<110>或<-110>方向。再有，這里，<-110>方向指<110>方向，在本說明書和權利要求的范圍中同樣地表記。
此外，設諧振器的長度為20μm至50μm左右。這是因為在光子晶體結構2內衍射取出的光強度小，通過利用端面涂布等抑制在條紋結構10的端面上造成的損失，可以使光損失與普通的激光器相比非常小，即使形成短諧振器而增益下降，也可以將足夠的光發射到外部。這里，在諧振器的長度為50μm的情況下，閾值電流為20μA左右，而在該長度為20μm的情況下，可知作為閾值的電流值不存在，光輸出與注入電流成正比地增加。
在本實施方式中，作為光子晶體，周期性地形成圓柱狀的凹部，但也可以是圓柱狀的凸部。在本實施方式中，沒有形成圓柱的凸部而是凹部的原因是，由于凹部的干法蝕刻的容積小，所以可以抑制蝕刻造成的損傷。此外，在形成凸部的情況下，被認為在強度上有問題。另一方面，在形成圓柱狀的凸部時，由于等效折射率減小，所以與凹部的情況相比，有可以增大排列時的周期的優點。因此，在光的波長例如為0.85μm等那樣短的情況下，優選形成凸部。有關以上方面，后述的其他實施方式也是同樣。
再有，通過周期性地形成非圓柱狀的方柱狀的凹部或凸部，也可以獲得光子晶體。但是，與圓柱的情況相比，難以制作形狀一致的方柱。這種情況在截面為橢圓的圓柱狀的凹部或凸部的情況下也是同樣，橢圓率越大，形狀的偏差越大。因此，在本實施方式中截面為正圓的圓柱狀。有關以上方面，在后述的其他實施方式中也是同樣。
下面說明以上那樣制造的半導體發光元件的動作。在上部電極6和下部電極7之間，通過施加使上部電極6為正電位，下部電極7為負電位的電壓，在有源層4中流過電流。其結果，從有源層4的n型區域向p型區域注入電子，從p型區域向n型區域注入空穴。被注入的電子和空穴在有源層4的n型區域和p型區域的界面上形成的p-n結的附近產生受激發射。由此，在有源層4中產生光。這種光在有源層4內被放大，同時在光子晶體結構2中，在垂直于n型InP基板1的方向上被衍射。其結果，從光子晶體結構2在垂直于n型InP基板1的方向上發出光8。
圖7是說明本發明的實施方式1的半導體發光元件的發光狀態的說明圖，圖7(a)是表示沒有形成光子晶體的區域中的光的波數和能量之間關系的圖，圖7(b)是表示光子晶體結構中的光的波數和能量之間關系的圖。
如圖7(a)所示，在沒有形成光子晶體的區域中，能量隨著波數增大而直線地上升。再有，在圖7(a)中，是光的能量小的區域中的能量和波數的關系，表示通過周期結構折回后的關系。因此，能量隨著波數減少而上升，然后再次折回，能量隨著波數增大而上升。其結果，由于不產生光子晶體造成的擾動，所以波數和能量連續地變化，沒有形成光子帶隙。此外，在圖7(a)中以光強度為橫軸、波長為縱軸的情況下，自然發出光呈現勞倫茲分布。
另一方面，如圖7(b)所示，在光子晶體結構中，由于產生光子晶體造成的擾動，所以形成光子帶隙(PBG)。在這種光子帶隙內不能存在自然發出光。相反，在光子帶隙的高能量端以上和低能量端以下中可以存在自然發出光。光子帶隙的中心能量所對應的光的角速度ω0在光子晶體的周期(相鄰的凹部9間的間隔)為Λ時，以neff·ω0/c＝π/Λ的關系來表示。這里，neff表示光的等效折射率，c表示光速。光子帶隙的大小Δω為Δω＝2kc/neff。這里，k表示耦合系數。在光子帶隙的高能量端和自然發出光的能量一致時，除了產生自然發出光的電子和光的關系以外，還附加有光子晶體的擾動產生的關系，所以電子和光的遷移概率也受到擾動。其結果，如圖7(b)所示，自然發出光和光子帶隙進行耦合而獲得超放射造成的高的自然發出光強度。這種情況的自然發出光的半值寬度為0.2nm以下，發光強度約為30倍左右。
再有，在圖7(b)中光子帶隙的高能量端和自然發出光的波長一致，而即使是光子帶隙的低能量端和自然發出光的波長一致的情況，也可獲得同樣的結果。但是，在構成光子晶體的多個凹部矩形點陣狀排列的情況下，使光子帶隙的高能量端和自然發出光的波長一致具有增大帶間隔而沒有退化影響的優點。
在本實施方式的半導體發光元件的情況下，不存在成為閾值的電流值，光輸出隨著注入電流而增加。在波長為1.3μm時，可知外部微分量子效率為60％左右。此外，可知在注入電流為2mA以上的情況下，動作速度為10GHz。從發光區域可獲得同一頻率下相位一致的相干光，所以可以將光點壓縮到與透鏡的NA對應的值。此外，TE光的極化面為條紋結構的條紋方向(諧振器方向)。在以脈沖狀注入比較強的電流時，可知還可獲得產生微微秒的強發光的超放射現象。
再有，在本實施方式中半導體基板為InP晶體，但如果提高光子晶體的制作精度，則也可以使用GaAs、GaN、或GaP晶體。此外，半導體基板可以是n型，也可以是p型。n型晶體一般電阻值低，所以優選在到有源層之間有光子晶體的一方為n型，電流均勻地注入到有源層中。
如上所述，優選光子晶體結構的長度(α方向)在圖3所示的結構的情況下(凹部9僅形成在p型InP上部覆蓋層5內)為2μm以上，在圖6所示的情況下(凹部9形成在從p型InP上部覆蓋層5至n型InP下部覆蓋層3的中間)為10μm以下。因此，在該光子晶體結構的長度(α方向)為2μm以上、10μm以下時，可以是圖3所示的結構，也可以是圖6所示的結構。哪個結構更優選依賴于干法蝕刻造成的損傷的大小和蝕刻表面形狀的平坦性。例如，在干法蝕刻時，通過用Cl2氣體形成平坦性良好的表面，用CF4氣體除去損傷區域，可形成圖6所示的結構。
(實施方式2)在實施方式2中，表示與實施方式1同樣，有光子晶體，但諧振器方向的光子晶體的周期和與該諧振器方向垂直的方向上的光子晶體的周期有所不同而構成的半導體發光元件。
圖8是表示本發明的實施方式2的半導體發光元件結構的俯視圖。如圖8所示，通過以矩形點陣狀排列多個凹部9而形成光子晶體結構2。這里，諧振器方向的凹部9的周期(相鄰的凹部9間的間隔)F1，與該諧振器方向垂直的方向上的凹部9的周期F2相比，F1長。此外，圖中的13表示將p型InP上部覆蓋層如后述那樣選擇生長時的生長區域。再有，本實施方式的半導體發光元件的其他結構與實施方式1的情況相同，所以附以相同標號并省略說明。
下面，說明以上那樣構成的本實施方式2的半導體發光元件的制造方法。再有，在實施方式1中說明了使用干法蝕刻來制作光子晶體的方法，而在本實施方式中說明使用選擇生長來制作光子晶體的方法。當然，即使是本實施方式，也與實施方式1的情況同樣，也可以使用干法蝕刻進行制作。在本說明書中所示的所有實施方式中，使用干法蝕刻方法和使用選擇生長方法的任何一個方法，都可以制作光子晶體。
圖9是說明本發明的實施方式2的半導體發光元件的制造方法的說明圖，圖9(a)是表示該半導體發光元件結構的截面圖，圖9(b)至圖9(d)是表示該半導體發光元件結構的俯視圖。
如圖9(a)所示，在n型InP基板1上，根據MOVPE法等的公知晶體生長方法來外延生長摻雜了Si的n型InP下部覆蓋層3(厚度100nm)、不摻雜的有源層4(厚度14nm)、以及摻雜了Zn的p型InP上部覆蓋層5(厚度10nm)。此外，在p型InP上部覆蓋層5上形成SiO2膜12。
接著，如圖9(b)所示，通過將SiO2膜12作為選擇生長掩模，使p型InP上部覆蓋層5(厚度100nm)選擇生長，形成矩形點陣狀排列的多個圓柱狀的凹部9而形成光子晶體結構2。這種情況下，排列凹部9，以使在與諧振器方向同一方向的凹部9的周期F1比在其長度方向的垂直方向上的凹部9的周期F2長。
再有，在如以上那樣形成光子晶體結構2的情況下，在選擇生長時有形成小平面(facet)的危險。但是，在膜厚小到200nm以下左右時，不形成小平面。
接著，如圖9(c)所示，為了形成條紋結構，用磷酸系蝕刻劑蝕刻至n型InP基板1的一部分。再有，圖中的13表示上述選擇生長p型InP上部覆蓋層時的生長區域。然后，如圖9(d)所示，將作為上部電極6的Cr/Pt/Au電極鍍敷在條紋結構10的p型InP上部覆蓋層13的表面上。此外，雖然沒有圖示，但將作為下部電極7的Au-Sn電極鍍敷在n型InP基板1的背面上。這種情況下，通過發射而在p型InP上部覆蓋層5的表面上形成上部電極6，使得在平面觀察中與光子晶體結構2在諧振器方向上并排來形成。
通過以上的工序，可以制造本實施方式的半導體發光元件。
可是，如圖6所示，為了獲得凹部9在到n型InP下部覆蓋層3的中間形成的結構，首先外延生長至n型InP下部覆蓋層3的一部分，然后如上述那樣，將SiO2膜作為選擇生長掩模，選擇生長n型InP下部覆蓋層3、有源層4、以及p型InP上部覆蓋層5就可以。這種情況下，為了在選擇生長掩模的附近形成小平面，各層的膜厚變薄，耐壓下降，有產生漏泄電流的危險。因此，優選設置蝕刻除去膜厚小的區域的工序。具體地說，在選擇生長工序結束后，用CH4或SF6氣體蝕刻膜厚小的區域。由此，可以防止閾值電流的增大。
再有，在本實施方式中設置圓柱狀的凹部9，但也可以設置圓柱狀的凸部。但是，在凸形狀的情況下，選擇生長孤立的圓柱狀的晶體。這種情況下，各凸部的生長獨立地進行。其結果，容易產生各凸部的高度分別不同的情況，所以從確保選擇生長時的穩定性的觀點來看有問題。此外，在生長速度比較快時，在凸部的前端形成小平面，所以有不平坦的問題。因此，對選擇生長條件注意選擇，例如需要通過將生長溫度下降等的生長條件最佳化，來制作帶有圓柱狀凸部的光子晶體結構。
在以上那樣制造的半導體發光元件中，與實施方式1的情況同樣，如果在上部電極6和下部電極7之間施加電壓，則在有源層4中產生受激發射。由此，在有源層4中產生光。這種光在有源層4中被放大，同時在光子晶體結構2中，在垂直于n型InP基板1的方向上被衍射。其結果，從光子晶體結構2在垂直于n型InP基板1的方向發光。
圖10是說明本發明的實施方式2的半導體發光元件的發光狀態的說明圖，圖10(a)是表示諧振器方向的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖，圖10(b)是表示與該諧振器方向垂直的方向上的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖。
本實施方式的情況下，在諧振器方向中，設定光子晶體的周期Λ，以使自然發出光的波長和光子帶隙的高能量端一致。這里，在與諧振器方向垂直的方向上，與諧振器方向為同一方向的情況相比，由于光子晶體的周期Λ減小，所以根據neff·ω/c＝π/Λ，如圖10(a)和圖10(b)所示，光子帶隙的中心能量(與ω等價)增加。
如圖10(a)和圖10(b)所示，在諧振器方向上自然發出光和帶端進行耦合，但在與諧振器方向垂直的方向上自然發出光的波長位于光子帶隙內部。因此，在與諧振器方向垂直的方向上不傳播自然發出光。其結果，由于條紋結構的對外部的光滲出減少，所以與使諧振器方向和垂直于該諧振器方向的方向上的光子晶體的周期相等的情況相比，可以實現低閾值電流下的振蕩。
此外，在本實施方式的半導體發光元件中，即使使用截面為正圓的圓柱狀的凹部，也可進行極化面的控制。在實施方式1中，示出了在諧振器方向上形成TE模式，但如果該條紋結構的寬度增大，則有模式的穩定性下降的問題。本實施方式的情況下，通過改變光子晶體的間距，在諧振器方向的垂直方向上形成光子帶隙，在該垂直方向上不能存在TE模式。由此，即使是條紋結構的寬度大的情況，也可以在諧振器方向上穩定地感應TE模式。
可是，在進行選擇生長時，在生長時形成小平面，所以可再現性良好地制作矩形的結構。特別是在選擇生長凸部的情況下，通過進行小平面生長，可以制作形狀均勻性優良的凸部。因此，在通過將生長條件最佳化，以選擇生長方式制作凸部的情況下，可以容易地獲得方柱狀的凸部構成的光子晶體結構。
(實施方式3)在實施方式3中，示出通過形成使光反射到條紋結構的端面上的反射膜，可以防止自然發出光和感應發出光在諧振器方向上漏泄的半導體發光元件。
圖11是表示本發明的實施方式3的半導體發光元件結構的圖，圖11(a)是表示其結構的俯視圖，圖11(b)是圖11(a)的A-A線向視圖。如圖11(a)和圖11(b)所示，在條紋結構10的兩端面上形成氧化鋁和二氧化鈦構成的絕緣體多層薄膜11。再有，有關本實施方式的半導體發光元件的其他結構與實施方式1的情況相同，所以附以相同標號并省略說明。
以下，說明以上那樣結構的本實施方式的半導體發光元件的制造方法。
首先，與實施方式1的情況同樣，制作光子晶體結構2。接著，在用干法蝕刻垂直地形成條紋結構的兩端面后，如圖11(a)和圖11(b)所示，在其兩端面上分別疊層氧化鋁和二氧化鈦構成的絕緣體多層薄膜11。然后，沿干法蝕刻過的溝槽來分離元件。在本實施方式中，為了將絕緣體多層薄膜11堆積(淀積)在條紋結構10的垂直的端面上，使用ECR濺射法疊層高反射多層膜，從而形成絕緣體多層薄膜11。在絕緣體多層薄膜11的層數為4時，獲得98％的反射率。通過形成這樣的高反射的絕緣體多層薄膜11，可極大地降低條紋結構10的端面上的反射損失。由此，與實施方式1中所示的那樣，在長度50μm左右的短諧振器中閾值電流可達到20μm左右。
但是，在垂直的面上形成有絕緣體多層薄膜11的情況下，在各層的淀積時絕緣體薄膜的膜厚不均勻，有反射損失增大的危險。因此，優選形成以下的結構。
圖12是表示本發明的實施方式3的半導體發光元件變形例結構的圖，圖12(a)是表示該結構的俯視圖，圖12(b)是圖12(a)的B-B線向視圖。在該變形例中，取代絕緣體多層薄膜，由光子晶體構成反射鏡。
如圖12(a)和圖12(b)所示，從p型InP上部覆蓋層5至n型InP基板1，形成分離溝槽18，以使其在平面觀察上為條紋狀。在該分離溝槽18包圍的區域17內的p型InP上部覆蓋層5的表面形成有光子晶體結構2和上部電極6。另一方面，在該區域17的外側的p型InP上部覆蓋層5中將圓柱狀的反射用凹部15矩形點陣狀地形成，以包圍被分離溝槽18包圍的區域17。這里，在α方向和β方向的任何一個方向上，反射用凹部15的周期(相鄰的反射用凹部15間的間隔)都比凹部9的周期短。該反射用凹部12形成在從上部覆蓋層5到下部覆蓋層3的中間。這樣，形成有反射用凹部12的區域成為反射鏡區域。通過分離溝槽18來分離區域17和反射鏡區域的原因是，抑制從區域17向反射鏡區域的電流漏泄。
如上述例子那樣，在條紋結構的端面上形成絕緣體多層薄膜并構成反射鏡的情況下，由于僅可以反射與諧振器方向相同方向的光，所以作為激光器用的反射鏡沒有問題。但是，在如本發明那樣控制自然發出光的情況下，存在稍稍偏離諧振器方向的自然發出光都不能充分反射的問題。相反，在本變形例的情況下，在反射鏡區域中將反射用凹部12在單側設置4周期左右的情況下，可獲得98％的反射率，如圖12(a)所示，即使是在同一單側設置兩周期的情況，也可獲得95％左右的反射率。其結果，如實施方式1中所示那樣，在長度20μm左右的短諧振器中可以實現沒有閾值電流的激光器振蕩。
(實施方式4)在實施方式4中，示出通過在條紋結構的整體上形成光子晶體結構，可以防止因反射面的光的相位擺動造成的模式不穩定的半導體發光元件。
圖13是表示本發明的實施方式4的半導體發光元件結構的圖，圖13(a)是表示其結構的俯視圖，圖13(b)是圖13(a)的C-C線向視圖。
如圖13(a)和圖13(b)所示，在形成有條紋形狀的p型InP上部覆蓋層5的整體上矩形點陣狀地形成有圓柱狀的凹部9。再有，本實施方式的半導體發光元件的其他結構與實施方式3的情況相同，所以附以同一標號并省略說明。
下面，說明以上那樣結構的本實施方式的半導體發光元件的制造方法。
首先，與實施方式1的情況同樣，制作光子晶體結構2，但此時通過干法蝕刻在條紋結構10的整個上表面上形成圓柱狀的凹部9。接著，在光子晶體結構2的一部分表面上鍍敷條紋狀的上部電極6。然后，在為了形成諧振器而將條紋結構10的兩端面用干法蝕刻垂直形成后，在該兩端面上疊層氧化鋁和非晶硅構成的絕緣體多層薄膜11。然后，沿干法蝕刻過的溝槽而分離元件。由此，可以獲得圖13(a)和圖13(b)所示的本實施方式的半導體發光元件。
再有，在形成上部電極的工序中，為了防止電極金屬回流到凹部9的內部，不是使所有的電極材料鍍敷，在光子晶體結構2上薄薄地堆積Cr/Pt，降低接觸電阻后，通過粘接由Pt/Au構成的金屬箔而形成上部電極。可是，如圖6所示，在將凹部9形成到下部覆蓋層3的中間為止的情況下，因電極材料回流造成的漏泄電流的增大明顯。因此，在這種情況下，優選在光子晶體結構2的表面上薄薄地堆積SiO2膜，在使用CHF3的ICP干法蝕刻中僅蝕刻除去該SiO2膜的平坦部表面后，鍍敷上部電極6。
在以上那樣制造的半導體發光元件中，與實施方式1的情況同樣，如果在上部電極6和下部電極7之間施加電壓，則在有源層4中產生受激發射。由此，在有源層4中產生光。這種光在有源層4內被放大，同時在光子晶體結構2中，在n型InP基板1的垂直方向上被衍射。其結果，從與光子晶體結構2的上部電極6在平面觀察時不重疊的區域在n型InP基板1的垂直方向上發光。
如以上那樣，通過在條紋結構10的整個上表面設置光子晶體，即使在高速調制半導體發光元件的情況下，諧振器內形成的駐波也是穩定的。這是因為在半導體發光元件中注入調制電流時，因諧振器內部的載流子密度的變動而使折射率變化，在不存在光子晶體的區域中駐波混亂。在本實施方式中，通過在條紋結構10的整個上面上形成光子晶體結構2，在光子晶體的周期中將光的擾動強制性地同步。由此，即使是40GHz左右的調制速度的情況，也可以獲得穩定的發光模式。但是，在諧振器(有源層4)的長度在100μm以上時，由于諧振器方向的分布產生于諧振器內的光密度，產生動作速度受限制的問題。因此，在本實施方式中，優選諧振器的長度在100μm以下。
可是，在與降低閾值電流相比更需要模式的穩定性的情況下，如圖14(a)所示，優選將圓柱狀的凹部9的一部分作為平板狀的凹部16。在圖14(a)中，在形成了上部電極6的區域中形成有多個平板狀的凹部16。再有，這里作為模式的穩定性的評價指標，包含極化面的穩定性。在將圖13(a)所示的圓柱狀的凹部9排列為矩形點陣狀的二維光子晶體的情況下，還向β方向(與諧振器方向垂直的方向)進行光耦合，所以極化面因β方向的光分布的變動而旋轉，極化面不穩定。相反，在設置了平板狀的凹部16的情況下，不產生向β方向的自然發出光的擾動，僅耦合在α方向上(諧振器方向)行進的波動。因此，不能充分利用自然發出光，閾值電流上升。但是，在條紋結構的厚度方向上一樣的相位下光受到擾動，所以不產生極化面的旋轉。其結果，雖然閾值電流為0.1mA左右，但無論光輸出強度如何，都可以獲得具有一定的極化面的輸出光。
另一方面，在與光強度相比更需要模式的穩定性的情況下，如圖14(b)和圖14(c)所示，將上部電極6分為兩個，除了條紋結構10的中央部而將其形成在兩端部。由此，條紋結構10的中央部成為光輸出區域。如圖14(e)所示，為了獲得強的輸出光，優選從諧振器內的光強度大的反射面附近取出光。但是，在端面的附近，光強度隨著靠近端面而急劇地增大，產生燒孔效應(hole burning)并有極化面不穩定的問題。因此，如圖14(b)和圖14(c)所示，通過將發光區域設置在諧振器(有源層4)的中央，光子晶體存在的區域成為光強度弱的區域，不產生燒孔效應，模式穩定。
而且，為了提高極化面的穩定性，如圖14(d)所示，也可以在條紋結構的整個上面上設置平板狀的凹部16。但是，在這樣的結構情況下，極化面固定，輸出光不能與諧振器內的光充分耦合，而且不能有效地利用自然發出光，所以光輸出下降。
在本實施方式中，由圓柱狀或平板狀的凹部構成光子晶體結構，但也可以由圓柱狀或平板狀的凸部構成光子晶體結構。在本實施方式中不形成凸部而形成凹部的原因是，凹部可以抑制干法蝕刻造成的損傷，而且在光子晶體上形成電極的情況下，形成的凹部因晶體的表面連續而平坦，可以容易地形成電極。特別是在本實施方式的情況下，如果由凸部構成光子晶體結構，則蝕刻至下部覆蓋層，在使有源層選擇生長時，有在凸部的周邊上也會鍍敷電極金屬而產生短路的危險，所以優選形成凹部。
(實施方式5)在實施方式5中，示出通過在光子晶體結構中導入移相結構，可進一步穩定發光模式的半導體發光元件。
圖15是表示本發明的實施方式5的半導體發光元件結構的圖，圖15(a)是表示其結構的俯視圖，圖15(b)是表示變形例結構的截面圖，圖15(c)是表示該半導體發光元件的條紋結構內部的光強度變化的圖。
如圖15(a)所示，上部電極6形成在上部覆蓋層5的兩端部的上面上，沒有形成在上部覆蓋層5的中央部。因此，本實施方式的情況下，從條紋結構10(諧振器)的中央部發光。
設位于諧振器中央部以外的區域的諧振器方向中相鄰的凹部9間的間隔為L。另一方面，位于諧振器中央部的諧振器方向中相鄰的凹部9間的間隔擴大到L+λ/4n。這里，λ是光的波長，n是等效折射率。以下，將凹部9間的間隔這樣擴大了λ/4n的結構稱為λ/4n移位結構。
再有，有關本實施方式的半導體發光元件的其他結構與實施方式3的情況相同，所以附以同一標號并省略說明。
如以上那樣，通過在諧振器方向上導入λ/4n移位結構，將左方向的波動和右方向的波動進行耦合，如圖15(c)所示，諧振器的中央部的光強度增大。其結果，光射出的區域的對稱性良好，所以具有容易與光纖接合的優點。此外，通過射出光的區域位于諧振器的中央部，可以獲得強大的光輸出。
圖16是說明本發明的實施方式5的半導體發光元件的發光狀態的說明圖，圖15(c)是表示圖15(a)的α方向(諧振器方向)上的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖，圖15(b)是表示β方向(與諧振器方向垂直的方向)上的光子晶體結構的光的波數和能量之間關系的圖。
如上所述，將左方向的波動和右方向的波動進行耦合所得的光的能量，如圖16(a)所示，等價于導入將λ/4n移動作為起源的晶格缺陷的情況，在光子帶隙內，形成與缺陷等級對應的光能量電平。在導入λ/4n移位結構的情況下，對應于晶格缺陷的能量為根據neff·ω0/c＝π/Λ求出的值。因此，該能量與光子帶隙的能量的中心能量相對應。此外，光子帶隙的能量為實施方式4中圖14(b)所示的凹部9等間隔矩形點陣狀排列情況下的Δω＝2kc/neff的兩倍。這樣，在等間隔矩形點陣狀排列情況下，如圖10(a)所示，有可能在高能量端和低能量端發光，但通過導入λ/4n移位結構，在最容易發光的光子帶隙的中央發光。此外，λ/4n移位結構的情況下，缺陷的高能量側和低能量側都位于光子帶隙內，所以與圖7(b)所示的單側上沒有形成光子帶隙的均勻晶格結構情況相比，可接受更強的光擾動。因此，具有大的Q值，半值寬度小，可進行基于大強度的自然發出光的特定模式產生的放大。
在本實施方式中，可知在自然發出光的波長與缺陷能級一致的情況下，可實現基于強大的擾動的發光。通過調整α方向和β方向的周期(相鄰的凹部間的間隔)，可以在橫方向(與諧振器方向垂直的方向)上使自然發出光電平存在于光子帶隙內。其結果，不能進行橫方向的光的傳播，可在諧振器方向上觀測單一模式的發光。
再有，光子晶體結構2可以如上述那樣由圓柱狀的凹部9構成，也可以如圖15(b)那樣由平板狀的凹部16構成。在使用平板狀的凹部的情況下，具有閾值電流大，光輸出的強度大，同時極化面的穩定性高的特征。
(實施方式6)在實施方式6中，示出可通過垂直設置帶有光子晶體結構的條紋結構來進一步穩定發光模式的半導體發光元件。
圖17是說明本發明的實施方式6的半導體發光元件的說明圖，圖17(a)是表示該半導體發光元件的結構的俯視圖，圖17(b)是表示該半導體發光元件的工作原理的圖，圖17(c)是表示電場作用的圖。
本實施方式的情況下，設置兩個與其他實施方式的條紋結構同樣的結構，將這些結構垂直相交地配置。更具體地說，如圖17(a)所示，包括具有與其他實施方式同樣的光子晶體結構的條紋結構10A和條紋結構10B，分別將它們配置在α方向、β方向(與α方向垂直的方向)上，以使這些條紋結構10A和條紋結構10B垂直。此外，在條紋結構10A和條紋結構10B交叉的區域B中不形成上部電極6，在除此以外的區域A上形成有上部電極6。
再有，有關本實施方式的其他結構與實施方式1的情況相同，所以附以同一標號并省略說明。
下面，說明本實施方式的半導體發光元件的制造方法。圖19是說明本發明的實施方式6的半導體發光元件的制造方法的說明圖，圖19(a)是表示該半導體發光元件結構的截面圖，圖19(b)至圖19(d)是表示該半導體發光元件結構的俯視圖。
如實施方式1中參照圖5(a)所述那樣，在n型InP基板1上，根據MOVPE法等的公知的晶體生長法外延生長摻雜了Si的n型InP下部覆蓋層3(厚度100nm)、不摻雜的有源層4(厚度14nm)、以及摻雜了Zn的p型InP上部覆蓋層5(厚度50nm)(圖19(a))。
接著，與實施方式1同樣，將SiO2膜作為蝕刻掩模，使用Cl2氣體和CH4氣體，通過ICP干法蝕刻為圓形狀地形成多個圓柱狀的凹部9。這種情況下，如圖19(b)所示，將各凹部9以并排成矩形點陣狀來形成，而且將這些凹部9配置為十字狀。排列了這些多個凹部9的區域成為光子晶體結構。
接著，與實施方式1同樣，為了形成條紋結構，將從p型InP上部覆蓋層5至n型InP基板1的一部分用磷酸系蝕刻劑進行蝕刻(圖19(c))。然后，如圖19(d)所示，在p型InP上部覆蓋層5的表面上鍍敷作為上部電極6的Cr/Pt/Au電極，在n型InP基板1的背面上鍍敷作為下部電極(未圖示)的Au-Sn電極。這種情況下，上部電極6在p型InP上部覆蓋層5的表面，通過發射來形成，以便形成在十字交叉部分以外的區域上。由此，制作條紋結構10A和與該條紋結構10A垂直的條紋結構10B。
通過以上的工序，可以制造本實施方式的半導體發光元件。
下面參照圖17(b)來說明本實施方式的半導體發光元件的工作原理。在圖17(b)中縱軸表示能量，橫軸表示波數。在條紋結構10A和10B交叉的區域B以外的區域A中，模式局限于諧振器方向，所以解除退化，高能量端分離為兩個帶。另一方面，在條紋結構10A和10B交叉的區域B中，由于α方向和β方向對稱，所以退化到一個能級。這里，在區域A中的光入射到區域B的情況下，區域A的低能量側的光A1因位于區域B的帶隙內而不能傳播，其結果為放射模式。另一方面，高能量側的光A2因通過區域B而被放大。在通過調節區域B的衍射效率κ和周期Λ獲得的區域B′中，如果區域A的光A2和區域B的高能量端的能量一致，則僅放大區域A的光A2，取出到外部。這種情況的電場的作用如圖17(c)所示，通過使α方向的電場的變動和β方向的電場的變動相互垂直，極化面按光的頻率進行旋轉。在通常的觀測中，可觀測到電場垂直，磁場和電場重疊。其結果，電場的方向為諧振器方向，即光子晶體結構的周期鍵合矢量(bonding vector)的方向。在通常的光子晶體元件的情況下，有電場偏離周期鍵合矢量的問題，但在本實施方式的情況下，可知存在與鍵合矢量的方向垂直的電場。
再有，本實施方式的半導體發光元件可以參照實施方式3中圖14(a)至圖14(d)應用于所述的各種結構。
圖18是表示本發明的實施方式6的半導體發光元件的變形例結構的圖，圖18(a)是表示該變形例結構的俯視圖，圖18(b)是表示另一變形例結構的俯視圖。在圖18(a)所示的變形例中，條紋結構10A和10B的區域A中的光子晶體結構由平板狀的凹部16構成。此外，在圖18(b)所示的變形例中，條紋結構10A的區域A中的光子晶體結構由圓柱狀的凹部9構成，條紋結構10B的區域A中的光子晶體結構由平板狀的凹部16構成。在這樣構成的情況下，區域A中的光(圖17(b)中的A1)的發光被抑制。
此外，圖20(a)至圖20(d)是表示本發明的實施方式6的半導體發光元件的另一變形例結構的俯視圖。在圖20(a)所示的變形例中，在成為光輸出區域的區域B中，形成平面觀察上的平方晶格狀的凹部19。在圖20(b)所示的變形例中，在該區域B中，套狀地形成平面觀察上四方管狀的凹部20。即使是這樣結構的情況，也可抑制鍵合矢量的旋轉。特別是為了抑制在形成諧振器結構的條紋結構的外部漏出自然發出光，通過形成調整周期的圓柱狀的凹部，以使在條紋結構的外部發光波長在光子帶隙內，從可以增大發光效率。
此外，在圖20(c)所示的變形例中，在諧振器(條紋結構10A和10B)的周圍形成有發光波長存在于光子帶隙內的光子晶體結構。這種情況下，有不需要在諧振器端面上形成高反射膜的優點。在圖21中示出這樣的變形例的制造方法。
圖21是說明本發明的實施方式6的半導體發光元件的變形例的制造方法的說明圖，圖21(a)是表示該變形例結構的截面圖，圖21(b)至圖21(d)是表示該變形例結構的俯視圖。
如在實施方式1中參照圖5(a)所述的那樣，在n型InP基板1上，根據MOVPE法等公知的晶體生長方法來外延生長摻雜了Si的n型InP下部覆蓋層3(厚度100nm)、不摻雜的有源層4(厚度14nm)、以及摻雜了Zn的p型InP上部覆蓋層5(厚度50nm)(圖21(a))。
接著，如十字狀那樣，并排形成多個平板狀的凹部16和圓柱狀的凹部19。具體地說，如圖21(b)所示，在十字狀的交叉區域中矩形點陣狀排列圓柱狀的凹部9，在其他區域中按規定的間隔排列平板狀的凹部16。然后，在這樣獲得的十字狀的區域周圍，以矩形點陣狀形成圓柱狀的反射用凹部21，以便包圍該十字狀的區域。
接著，如圖21(c)所示，形成分離溝槽22，以便包圍由平板狀的凹部16和圓柱狀的凹部9構成的十字狀的區域。然后，如圖21(d)所示，在十字狀的交叉區域以外的區域中鍍敷上面電極。
通過以上的工序，可以制造圖20(c)所示的本實施方式的半導體發光元件的變形例。
以上說明的本實施方式和其變形例的光子晶體通過將凹部排列成平方晶格或長方晶格狀而構成，但也可以如圖20(d)所示那樣將凹部排列成三角晶格狀而構成。這種情況下，設有三個條紋結構10A、10B、10C，各條紋結構10A、10B、10C以60°的角度交叉。因此，交叉區域為六角狀。由于諧振器方向為三個，所以產生三重退化。因此，光子帶隙的結構變得復雜，有難以設計的問題。但是，由于可以利用來自發光區域的大部分的自然發出光，所以具有可以實現高輸出發光元件的優點。
根據上述說明，本領域技術人員顯然可知道本發明的更多改進和其他實施方式。因此，上述說明僅作為例示解釋，目的在于向本領域技術人員提供實現本發明的優選方式。可實質性地變更其結構和/或功能的細節，而不脫離本發明的精神。
產業上的利用可能性本發明的半導體發光元件可用作光通信系統等中使用的半導體發光元件。此外，本發明的半導體發光元件的制造方法可用作光通信系統等中使用的半導體發光元件的制造方法。
權利要求
1.一種半導體發光元件，包括半導體基板；形成在所述半導體基板上的半導體疊層體，該半導體疊層體包含下部覆蓋層、具有相對于所述半導體基板而在平行的方向的諧振器的有源層、以及上部覆蓋層；連接到所述上部覆蓋層，在諧振器方向上延長的條紋狀的上部電極；以及連接到所述下部覆蓋層的下部電極，其特征在于，所述半導體疊層體具有將多個凹部或凸部在諧振器方向上周期性排列的光子晶體結構，所述光子晶體結構在表面觀察中至少一部分與所述上部電極不重疊，而且與所述上部電極在諧振器方向上并排形成，在所述上部電極和所述下部電極之間施加規定的電壓時，在所述光子晶體結構的平面觀察中從與所述上部電極重疊的區域發光。
2.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于在所述上部覆蓋層形成有所述凹部或凸部。
3.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于延伸至所述上部覆蓋層、所述有源層、以及所述下部覆蓋層地形成有所述凹部或凸部。
4.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于所述凹部或凸部的形狀為圓柱狀。
5.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于所述凹部或凸部的形狀為平板狀。
6.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于所述諧振器的寬度在2μm以上、10μm以下。
7.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于所述諧振器的長度在20μm以上、50μm以下。
8.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于所述諧振器方向為<110>方向或<-110>方向。
9.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于所述凹部或凸部排列成矩形點陣狀，所述凹部或凸部的一排列方向與諧振器方向相同，另一排列方向與諧振器方向垂直。
10.如權利要求9所述的半導體發光元件，其特征在于所述一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔與所述另一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔有所不同。
11.如權利要求10所述的半導體發光元件，其特征在于所述一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔比所述另一排列方向的相鄰的凹部或凸部間的間隔大。
12.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于在所述半導體疊層體的兩端面上形成有反射膜。
13.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于在所述半導體疊層體的周圍形成有由按規定的間隔排列的多個凹部或凸部構成的光子晶體結構。
14.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于在遍及所述半導體疊層體的上面的整個面形成所述凹部或凸部。
15.如權利要求14所述的半導體發光元件，其特征在于在所述光子晶體結構的平面觀察中不與所述上部電極重疊的區域是所述半導體疊層體的中央部。
16.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于諧振器方向上相鄰的凹部或凸部中的一部分凹部或凸部間的間隔比其他凹部或凸部間的間隔僅大波長/(有效折射率×4)。
17.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于包括多個所述半導體疊層體，所述多個的所述半導體疊層體被相互交叉地配置。
18.一種半導體發光元件的制造方法，該半導體發光元件包括半導體基板；形成于所述半導體基板上的半導體疊層體，該半導體疊層體包括下部覆蓋層、具有相對于所述半導體基板而在平行方向的諧振器的有源層和上部覆蓋層；連接到所述上部覆蓋層的上部電極；以及連接到所述下部覆蓋層的下部電極；該半導體發光元件在對于所述半導體基板大致垂直的方向上發光，其特征在于，該制造方法包括在所述半導體基板上使所述半導體疊層體外延生長的工序；通過在所述半導體疊層體上實施蝕刻，形成在諧振器方向上周期性排列的多個凹部所構成的光子晶體結構的工序；以及在平面觀察中，將在諧振器方向上延長的條紋狀的所述上部電極形成在所述上部覆蓋層上部，以使其與所述光子晶體結構的至少一部分不重疊，而且與所述光子晶體結構在諧振器方向上并排的工序。
19.一種半導體發光元件的制造方法，該半導體發光元件包括半導體基板；形成于所述半導體基板上的半導體疊層體，該半導體疊層體包括下部覆蓋層、具有相對于所述半導體基板而在平行方向的諧振器的有源層和上部覆蓋層；連接到所述上部覆蓋層的上部電極；以及連接到所述下部覆蓋層的下部電極；該半導體發光元件在對于所述半導體基板大致垂直的方向上發光；其特征在于，該制造方法包括在所述半導體基板上外延生長所述半導體疊層體的工序；通過在所述半導體疊層體的所述上部覆蓋層上使晶體選擇生長，形成在諧振器方向上周期性排列的多個凹部所構成的光子晶體結構的工序；以及在平面觀察中，將在諧振器方向上延長的條紋狀的所述上部電極形成在所述上部覆蓋層上部，以使其與所述光子晶體結構的至少一部分不重疊，而且與所述光子晶體結構在諧振器方向上并排的工序。
全文摘要
本發明的半導體發光元件包括n型InP基板(1)；以及條紋結構(10)，條紋結構(10)包含在該n型InP基板(1)上條紋狀形成的n型InP下部覆蓋層(3)、相對于所述n型InP基板(1)而具有平行方向的諧振器的有源層(4)、和p型InP上部覆蓋層(5)。這種條紋結構(10)有凹部(9)排列為矩形點陣狀的光子晶體結構(2)，光子晶體結構(2)的凹部(9)的排列方向和諧振器方向相同。此外，在諧振器方向上延長的條紋狀的上部電極(6)形成在條紋結構(10)上。這樣構成的本發明的半導體發光元件相對n型InP基板(1)在垂直的方向上發光。
文檔編號H01S5/00GK1602569SQ03801328
公開日2005年3月30日 申請日期2003年2月7日 優先權日2002年2月8日
發明者大塚信之, 吉井重雄, 橫川俊哉 申請人:松下電器產業株式會社