CN101258653B - 二维光子晶体面发光激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二维光子晶体面发光激光光源，其使光沿面垂直方向取出的取出效率增高。该激光光源具备：在板状母材内周期性配置多个空孔(25)而成的二维光子晶体层(24)、和设置在二维光子晶体层(24)的一侧的活性层(23)，其中，将空孔(25)按照为圆形等规定的截面形状的柱状且相对于母材的表面而该柱的主轴具有倾斜的方式形成。具有这样的二维光子晶体层(24)的二维光子晶体面发光光源，其面垂直方向的Q值即Q_⊥值为适于激光振荡的值(几千)，从而光沿面垂直方向取出的取出效率高。

Description

二维光子晶体面发光激光光源

技术领域

本发明涉及一种自平面状的光源沿垂直于其面的方向放射激光的面发光激光光源。

背景技术

迄今，正使用着利用了法布里-珀罗共振器的法布里-珀罗型激光光源、及利用了衍射光栅的分布式反馈(Distributed Feedback：DFB)型激光光源。这些激光光源都是通过共振或衍射使规定波长的光放大而使激光起振的光源。

与之相对，近年来，正在开发采用了光子晶体的新型的激光光源。光子晶体是在电介质所构成的母材上人工形成周期构造的晶体。周期构造通常通过在母材内周期性设置折射率不同于母材的区域(异折射率区域)而形成。通过该周期构造，在晶体内产生布拉格衍射，另外，在光的能带中出现带隙。光子晶体激光光源具有利用带隙效果并将点缺陷作为共振器使用的构成、和利用光的群速度为0的带端的驻波的构成。均将规定波长的光放大而得到激光振荡。

专利文献1中记载有一种在包含发光材料的活性层的附近形成有二维光子晶体的激光光源。该二维光子晶体中，在由半导体构成的板状的母材中将圆柱状的空孔周期性(三角晶格状、正方晶格状、六角晶格状)地进行设置，母材的折射率的分布具有二维的周期性。通过该周期与由来自电极的载流子的注入在活性层所生成的光的介质内波长一致，在二维光子晶体的内部形成二维驻波，由此，光被增强而进行激光振荡。

图1示意地表示专利文献1中记载的二维光子晶体的内部所形成的驻波。该图中，仅一维地表示结晶面内的一方向(x方向)的驻波，但在例如正方晶格的情况下，在与之垂直的方向也形成驻波。着眼于电场，该驻波形成为在二维光子晶体11内的空孔12的部分具有波节和具有波腹的两个模式。若将通过某空孔12的中心的轴(z轴)定义为对称轴，则相对于该轴而前者为反对称、后者为对称。在此，在考虑与外部平面波耦合的情况下，沿z方向传播的平面波的分布函数关于x方向是一样的，与之相对，关于对称轴而言，在反对称模式下为奇函数，在对称模式下为偶函数。在假设二维光子晶体的大小为无限的情况下，由于在对称模式下与外部平面波的重叠积分不为0，因此，产生沿面垂直方向的一级次衍射光。与之相对，在反对称模式下与外部平面波的重叠积分为0，因此，通过干涉而不会产生沿面垂直方向的一级次衍射光。因此，该反对称模式不能沿面垂直方向取出光。

实际上由于二维光子晶体的大小是有限的，由此，反对称模式的光的对称性也溃坏，就能够沿面垂直方向取出。但是，该情况下，沿面垂直方向取出的光的强度受到干涉的影响而被减弱。

为抑制这样的干涉的影响而提高光沿面垂直方向取出的取出效率，迄今对二维光子晶体的面内的折射率分布的对称性溃坏的情况进行了探讨。专利文献2中记载了具有二维光子晶体的面发光激光光源，该二维光子晶体通过形成有平移对称性但没有旋转对称性的晶格构造而使平行于母材的面内的对称性溃坏。这样的对称性通过将例如异折射率区域的空孔配置成正方晶格状，且将各空孔的平面形状(平行于二维光子晶体的截面的形状)作成三角形而被形成。该情况下，晶格具有四维旋转对称性，空孔具有三维旋转对称性，由于两者的旋转对称性不一致，故晶体整体就没有旋转对称性。另外，也有在正方晶格的一个晶格点将平面形状为完整圆而直径不同的两个空孔邻接设置的方法。该情况下，在晶格点没有旋转对称性，因此，晶体整体也就没有旋转对称性。这些激光光源中，由于二维光子晶体的晶格构造的对称性比图1所示的晶格构造的低，故可抑制反对称模式的光的干涉的影响，从而可使沿面垂直方向取出的光的强度比目前的要强。

专利文献1：特开2000-332351号公报([0037]～[0056]、图1)

专利文献2：特开2004-296538号公报([0026]～[0037]、图1～5)

表示激光光源的效率的指标之一有：以注入激光光源的电流的增加量为分母、以该电流的增加所引起的光沿面垂直方向输出的增加量为分子所表示的微分量子效率η_d。微分量子效率η_d是与使用作为面垂直方向的Q值的Q_⊥、作为侧面方向的Q值的Q_//、及表示内部吸收及散射损失的无量纲因数α来表示的值成正比例。为了提高微分量子效率，减小1/Q_//+α，同时增大1/Q_⊥即减小Q_⊥是有效的。但是，当Q_⊥过小时，不能使激光振荡，因此，优选Q_⊥值收敛于规定的范围(几千程度)。另外，在此定义的Q_⊥是相对于具有有限周期构造(有限的大小)的二维光子晶体，但下面将Q_⊥作为相对于无限周期构造定义的使用。无限周期构造的Q_⊥与有限周期构造的Q_⊥相关，因此，使用计算容易的无限周期构造的Q_⊥来进行讨论对本质而言也没有损失。

另外，为了提高激光光源的效率，需要留意对激光振荡所利用的光能带的选择。图2表示将空孔配置成正方晶格状的二维光子晶体的光能带图。该二维光子晶体中，在k＝0(点)附近形成有四条带。这些带中低能量(低频率)侧的两条带的带端A、B有助于激光振荡。其中，带端B在

点附近显示平的色散函数，因此，在现实的有限周期构造中具有Γ点以外的波数(wavenumber)的光混合得更多。由于具有

点以外的波数的光的对称性低，故在面垂直方向不被限制(confined)。因此，在现有的器件中，通常带端B的Q_⊥值比带端A的低，带端A为振荡模式。另外，图2中表示在空孔的平面形状为椭圆形时的计算结果，但在空孔为其它形状时也基本上是相同的。

本申请发明者对专利文献2中记载的二维光子晶体面发光激光光源计算了二维光子晶体的Q值，其结果可知若通过适宜设定空孔的大小而使相对于带端A的Q_⊥值为几千程度，则相对于带端B的Q_⊥值就变为几十万～几百万程度这样大的值。若相对于带端A的带端B的Q_⊥值这样增大，则可在带端B产生激光振荡。在现实的激光光源中如上所述本来选择带端A，但若带端B的Q_⊥值增大，则可能会引起不稳定的二模式振荡。另外，若带端B被选择进行振荡则其Q_⊥值过大，因此，光沿面垂直方向取出的取出效率降低。

另外，在专利文献2中记载的二维光子晶体面发光激光光源中，在制造时产生以下的问题。根据通常的制造方法，首先制造二维光子晶体的母材(或在母材上层叠活性层等一部分层)，利用干蚀刻等方法在母材中周期性形成正三角柱的空孔。然后，将包含母材的各层(包覆层及电极等)重合，通过加热将各层粘接。在进行该热处理时，空孔的正三角柱的角变形而成圆角从而变成近似圆柱的形状的情况存在。当该变形产生时，空孔的平面形状的对称性比正三角柱的高，从而光的取出效率降低。

发明内容

本发明要解决的课题在于，提供一种光沿面垂直方向取出的取出效率高且难以受到热等所引起的变形的影响的二维光子晶体面发光激光光源及其制造方法。

为解决上述课题，本发明第一形态提供一种二维光子晶体面发光激光光源，其具有活性层和设置在该活性层一侧的二维光子晶体，

该二维光子晶体通过在板状母材内周期性配置多个折射率不同于该母材、为具有规定截面形状的柱状且该柱的主轴相对于母材的表面有倾斜的异折射率区域而成。

在第一形态的二维光子晶体面发光激光光源中，可使用所述异折射率区域为斜圆柱状、且相对于母材的表面的垂线的该斜圆柱的主轴的倾斜度为20°～45°的。或者，作为所述异折射率区域也可以使用随着从活性层的相反侧的面朝向活性层侧而在母材表面的截面为正三角形的向底边侧倾斜的斜正三角柱状。

本发明第二形态提供一种二维光子晶体面发光激光光源，其具有活性层和设置在该活性层一侧的二维光子晶体，其特征在于，该二维光子晶体通过在板状母材内周期性配置多个异折射率区域集合体而成，该异折射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同。

异折射率区域集合体内的各异折射率区域的平面形状可以彼此不同。另外，作为优选，异折射率区域集合体内的各异折射率区域，其平面形状的面积越大，其厚度越厚。

一种二维光子晶体面发光激光光源的制造方法，其制造本发明的二维光子晶体面发光激光光源，该二维光子晶体面发光激光光源具有活性层和设置在该活性层一侧的二维光子晶体，其特征在于，

在板状的母材上形成多个孔集合体周期性配置后的掩模，该孔集合体由面积不同的两个以上的孔构成，

自该掩模上对该母材进行干蚀刻，在形成于母材中的空孔全部贯穿母材之前结束干蚀刻，

由此，形成该二维光子晶体。

附图说明

图1是表示二维光子晶体结晶内的驻波的反对称模式和对称模式的图表；

图2是表示二维光子晶体的光能带的例子的图表；

图3是第一实施例(第一实施方式的面发光激光的一实施例)的激光光源的立体图；

图4是表示第一实施例的空孔25的形状的立体图、投影图及剖面图；

图5是表示第一实施例的激光光源的Q_⊥A值Q_⊥B值及的计算结果的图表；

图6是表示第二实施例的空孔45的形状的立体图、投影图及剖面图；

图7是表示第三实施例的空孔45的形状的立体图、投影图及剖面图；

图8是表示比较例1的空孔65的形状的立体图及对进行电场分布的计算后的面进行表示的剖面图；

图9是表示第一实施例的电场分布的计算结果的图；

图10是表示第二实施例的电场分布的计算结果的图；

图11是表示第三实施例的电场分布的计算结果的图；

图12是表示比较例1的电场分布的计算结果的图；

图13是第四实施例(第二实施方式的面发光激光的一实施例)的激光光源的立体图；

图14是第四实施例的激光光源的二维光子晶体层74的上面图(a)及异折射率区域集合体75的放大图(上面图(b)及纵剖面图(c))；

图15是表示第四实施例的激光光源的制造方法的纵剖面图；

图16是由第四实施例制造的激光光源的二维光子晶体层74的显微镜照片(上面图(a)及纵剖面图(b))；

图17是表示测定第四实施例(a)及比较例2(b)的自激光光源的电极注入的电流和发光强度的关系的结果的图表；

图18是表示第四实施例的激光光源的二维光子晶体层74内的有关带端A的电磁场分布的计算结果的图；

图19是表示第一空孔751及第二空孔752的形状的例子的剖面图。

符号说明

11  二维光子晶体

12、25、45、55、65  空孔

21  阳极电极

22  阳极电极

23  活性层

24、74  二维光子晶体层

261、262、263  分隔层

271、272  包覆层

28  接触层

31  主轴

61  包含活性层23侧的底面的空孔65的面

62  活性层23内的与该层平行的空孔65的面62

661  空孔中位于x方向的负侧端附近的区域

662  空孔中位于x方向的正侧端附近的区域

67  波节

68  重心

75  异折射率区域集合体

751  第一空孔

752  第二空孔

81  母材

82  第一层叠体

83  抗蚀剂

841  长方形孔

842  圆形孔

85  第二层叠体

具体实施方式

下面，详细说明第一实施方式的二维光子晶体面发光激光光源(下面为“激光光源”)及第二实施方式的激光光源。

首先，对本发明的激光光源中共通的构成进行说明。本发明的激光光源中，在活性层的一侧设置二维光子晶体。在此，活性层和二维光子晶体不必直接相接，也可以在两者之间插入隔离物等部件。活性层可使用目前用于法布里-珀罗型激光光源的构成相同的构成。二维光子晶体通过在板状母材内周期性配置多个折射率不同于该母材的异折射率区域而成。异折射率区域也可以通过在母材中埋入折射率不同于母材的材料而形成，但通过在母材中设置空孔而形成的方法可大幅度取得与母材的折射率差值，并且制造也简单，故优选之。

第一实施方式及第二实施方式中，为提高光的取出效率并且难以受到热等引起的变形的影响，而如下所述分别对异折射率区域的形状进行研究。

(1)第一实施方式的激光光源

第一实施方式的激光光源中，异折射率区域为具有规定的截面形状的柱状，且该柱的主轴相对于母材的表面具有倾斜。另外，本申请中的“柱”是指平行于层的截面的形状一定且连接各截面的重心的线为直线的立体。而且，将该直线称作柱的主轴。这种形状的异折射率区域不具备平行于母材的表面的面内的对称性，具体而言不具备绕垂直于母材的表面的轴的旋转对称性。

在设置了具有这样的异折射率区域的二维光子晶体的激光光源中，由于异折射率区域不具备上述那样的对称性，从而即使在二维光子晶体的中心附近而反对称模式的光也不能消除，因此光沿面垂直方向的取出效率变好。

另外，可通过第一实施方式的激光光源来抑制相对于带端B的Q_⊥值即Q_⊥B值。该理由如下考虑。光子晶体及活性层上形成的驻波的波节，在平行于母材表面的面内位于异折射率区域的重心附近。另一方面，由于光强度在活性层为最大，故光的电场分布由光子晶体的异折射率区域中最接近活性层的底面附近的形状较强地影响。在异折射率区域相对于母材表面有倾斜的情况下，活性层侧的底面形状的重心从上述驻波的波节的位置偏离。因此，在该底面内形成非对称的电场分布，且Q_⊥值降低。即使二维光子晶体的构造是相同的，上述波节的位置在带端A模式的情况和带端B模式的情况下也稍有不同。即，带端B模式的情况，由于波节的位置从异折射率区域的底面的重心比带端A模式的情况偏离得更大，因此，电场分布非对称化得更强，可将Q_⊥B值减小得小于相对于带端A的Q_⊥值即Q_⊥A值。由此，能够抑制带端B的Γ点以外的激光振荡的影响，能够得到带端A的稳定的激光振荡。

而且，如后述的例子，通过适宜决定空孔的形状，可使Q_⊥B值减小得小于Q_⊥A值。由此能够几乎排出带端B的影响。

Q_⊥值及光沿面垂直方向的取出效率根据异折射率区域的柱的主轴和母材表面构成的角度及该柱的截面形状而变化。

作为一例，对异折射率区域为斜圆柱状的情况进行说明。斜圆柱状是指截面为圆形且主轴相对于母材表面倾斜的柱。在具有由这样的斜圆柱状的异折射率区域构成的二维光子晶体的激光光源中，通过将主轴和母材表面的垂线的角度θ设为20°～45°，从而可将Q_⊥A值抑制在几千～1万程度。另外，在该角度范围内，使Q_⊥B值比Q_⊥A值更低。这样，通过适宜减小Q_⊥A值且使Q_⊥B值比Q_⊥A值更小，可几乎排出带端B的影响，且可使激光稳定地振荡。

作为斜圆柱以外的本发明的异折射率区域的形状的例子，例举出斜正三角形。斜正三角形是指截面形状为正三角形且主轴相对于母材表面倾斜的柱。斜正三角柱整体的立体形状因其主轴的倾斜方向而不同，Q_⊥A值和Q_⊥B值的关系不同。例如，随着从活性层的相反侧的面朝向活性层侧而面内形状的正三角形的顶点之一向(i)与其顶点面对的底边侧移动、或向(ii)其底边的相反侧移动，由此，例如即使主轴的倾斜角度θ相同，两者的关系也不同。即，在宽的角度(θ)的整个范围内，在(ii)的情况下，有Q_⊥B值比(i)的情况大的倾向，Q_⊥B值超过Q_⊥A值，与之相对，在(i)的情况下，有接近斜圆柱状的情况的倾向，即，Q_⊥A值为几千程度，Q_⊥B值比其更低。因此，本发明中比(ii)更优选(i)。

另外，在第一实施方式的激光光源中，即使因制作时的热处理而使例如斜正三角形的角变形而变圆等的变形稍微产生，也可以维持不具备绕垂直于母材的表面的轴的旋转对称性的异折射率区域的形状的特征。因此，即使这样的变形产生，也可以抑制光的取出效率降低。

(2)第二实施方式的激光光源

第二实施方式的激光光源中，在二维光子晶体的母材内周期性配置有多个异折射率区域集合体。异折射率区域集合体由多个单位异折射率区域构成，该异折射率区域集合体形成周期性折射率分布。即，第二实施方式的激光光源的二维光子晶体的周期性折射率分布例如通过在正方晶格及三角晶格的各晶格点上配置异折射率区域集合体而被形成。

各异折射率区域集合体具有的多个单位异折射率区域中的至少两个的厚度彼此不同。若满足该条件，则也可以使异折射率区域集合体中所有的单位异折射率区域为不同的厚度，且也可以使一部分单位异折射率区域彼此为相同的厚度。这样，通过设定各单位异折射率区域的厚度，使平行于母材的截面内的异折射率区域集合体的形状随着其截面的位置而不同。由此，可降低平行于母材的面内的对称性，可抑制由干涉引起的反对称模式的抵消所造成的激光的取出效率降低。

另外，即使因制作时的热处理而使异折射率区域集合体内的各单位异折射率区域的形状稍微变形，各单位异折射率区域的厚度也不相等。因此，可维持异折射率区域集合体的形状的特征，从而可抑制这样的变形造成的光的取出效率降低。

异折射率区域集合体内的各单位异折射率区域的平面形状可以完全相同，但由于进一步降低面内的对称性，故优选在每个单位异折射率区域分别不同。

作为优选，异折射率区域集合体内的各单位异折射率区域，其厚度越厚的，越将平面形状的面积增大。下面说明其理由。

在制造二维光子晶体时，大多情况下是使用干蚀刻法在母材内形成空孔。要形成的空孔的平面形状的面积越小，空孔形成时蚀刻气体越难以侵入空孔内，从而蚀刻速率减缓。其结果，异折射率区域集合体内的各空孔(单位异折射率区域)的面积越大，其厚度越厚。即，只是使各单位异折射率区域的面积不同，通过通常的干蚀刻法，不需要特殊的技术就可容易地制作本发明的异折射率区域集合体。

但是，由于所有的空孔贯穿母材时所有的单位异折射率区域的厚度相同，故干蚀刻必须在形成于母材上的空孔全部贯穿母材前结束。

作为本发明的异折射率区域集合体之一，可使用由平面形状为略长方形状的第一异折射率区域、和第二异折射率区域构成的异折射率区域集合体，该第二异折射率区域：为具有短于其长边的直径的略圆形，与第一异折射率区域相比面积更小且厚度更薄。由于制造上的理由等，第一异折射率区域及第二异折射率区域的平面形状稍微变形、或第一异折射率区域的长方形的角变形成圆形的情况只要对称性溃坏这样的特征没有损坏就没有问题。另外，在通过减小第二异折射率区域的面积使其比第一异折射率区域的面积小，且使用如上所述干蚀刻法制造二维光子晶体的情况下，第二异折射率区域的厚度自然比第一异折射率区域的厚度小。

具有这样的第一异折射率区域及第二异折射率区域的异折射率区域集合体整体上具有近似于三角形的平面形状。即，第一异折射率区域构成三角形的一边，第二异折射率区域构成面向该边的一顶点。这与专利文献2中记载的面发光激光所使用的二维光子晶体具有的异折射率区域的平面形状相同。另外，本发明中，由于使第一异折射率区域和第二异折射率区域的厚度不同，故与专利文献2中记载的面发光激光的情况相比，可进一步降低异折射率区域(集合体)的对称性，进一步抑制由干涉引起的反对称模式抵消所造成的激光的取出效率降低。

另外，在由这些第一异折射率区域及第二异折射率区域构成的异折射率区域集合体上，即使制造时施加的热的影响等造成的变形稍微产生，不仅上述各异折射率区域的厚度，而且也能够维持第一异折射率区域的长边为三角形的一边、第二异折射率区域为面向该边的一顶点这样的平面形状的特征。因此，可降低异折射率区域的变形引起的光的取出效率降低。

实施例

作为本发明的激光光源的第一实施例，使用图3～图5来说明第一实施方式的面发光激光的一实施例。

本实施例的激光光源中，如图3所示，在阳极电极21和阴极电极22之间设置由砷化铟镓(InGaAs)/砷化镓(GaAs)构成且具有多量子阱(Multiple-Quantum Well：MQW)的活性层32。在活性层32上，隔着由p型GaAs构成的分隔层261设置同样由p型GaAs构成的二维光子晶体24。二维光子晶体层24在板材中将空孔25周期性配置成正方晶格状。空孔25的形状将后述。另外，该图的例子中，分隔层261和二维光子晶体24作为一个一体的层被形成，只在位于上侧的二维光子晶体层24一方形成有空孔25。在活性层23和阳极电极21之间设置由p型GaAs构成的分隔层262、由p型AlGaAs构成的包覆层271及由p型GaAs构成的接触层28。另外，在活性层23和阴极电极22之间设置由n型GaAs构成的分隔层263及由n型AlGaAs构成的包覆层272。另外，图3中，为了表示二维光子晶体层24的构造，将分隔层262和二维光子晶体层24之间隔开进行描绘。

在此，如图3所示，定义以空孔25形成的正方晶格的1方向为x轴、以另一方向为y轴、以垂直于二维光子晶体层24的方向为z轴的坐标系。本实施例中，主轴向x轴方向倾斜。另外，以自活性层23朝向二维光子晶体层24的方向为z轴的正方向。

图4是一个空孔25的形状的立体图、剖面图及投影图。(a)是立体图，(b)是向x-z面的投影图，(c)是向y-z面的投影图，(d)是二维光子晶体层24的分隔层262侧的表面的剖面图(平面图)。如图3所示，实际上在二维光子晶体层24上多个相同形状的空孔25被形成为正方晶格状。另外，(a)中为了表示空孔25的形状，透过二维光子晶体层24及分隔层262进行表示。

如图4(d)的平面图所示，x-y面的空孔25的平面形状为圆，该平面形状与z值无关而在平行于上述表面的任意截面内是相同的。空孔25由于主轴向x轴方向倾斜从而具有随着截面沿z的正方向移动而该圆向x的正方向移动的形状。即，如图4(a)、(b)所示，主轴31的上方(z轴的正方向)向x的正方向倾斜。另外，如图4(c)所示，主轴31不向y方向倾斜。

本实施例的激光光源的动作基本上与现有的二维光子晶体面发光激光光源相同。当在阳极电极21和阴极电极22之间施加电压时，自阳极电极21侧将空穴注入活性层23，自阳极电极22侧将电子注入活性层23，透过空穴和电子的再结合进行发光。该光通过二维光子晶体层24受到反馈而进行激光振荡。该激光自接触层28(射出面)被取出到外部。

图5表示对本实施例的激光光源在θ＝10°、20°、30°、45°时的Q_⊥A值及Q_⊥B值计算后的结果。在此，二维光子晶体层24具有在x-y面内无限扩展的无限周期构造，使用三维FDTD法对二维光子晶体层24中空孔25所占的体积的比例(填充系数(filling factor))为18％的情况进行计算。另外，图5中未图示，在θ＝0°的情况下，Q_⊥A值、Q_⊥B值都无限大。

计算的结果可知，在θ＝45°的范围内Q_⊥A值达到适于激光振荡的值即几千～1万。Q_⊥B值在计算的范围内比所有的Q_⊥A值都小(θ＝20°时约60％、θ＝45°时约20％)。通过这些计算结果表明，本实施例的激光光源中，在至少θ处于20°～45°的范围内的情况下，可获得带端A的激光振荡。

(2)第二实施例及第三实施例(第一实施方式的面发光激光的其它实施例)

其次，参照图6及图7对本发明的激光光源的第二及第三实施例进行说明。这些实施例的激光光源除空孔的形状外与图3所示的第一实施例的激光光源具有相同的构造。

图6表示第二实施例的空孔25的形状，图7表示第三实施例的空孔55的形状。图6、图7任一图中均为：(a)是立体图，(b)是向x-z面的投影图，(c)是向y-z面的投影图，(d)是二维光子晶体层24的分隔层262侧的表面的剖面图(平面图)。另外，图6、图7中只表示1个空孔45、55，但与图3相同，实际上在二维光子晶体层24中多个相同形状的空孔被形成为正方晶格状。

在第二实施例、第三实施例中，都如图6(d)、图7(d)的平面图所示，x-y面的空孔的平面形状为正三角形，三个顶点中的一个朝向x轴的正方向。该平面形状与z值无关而在平行于上述表面的任意截面是相同的。

第二实施例和第三实施例有如下不同点。第二实施例的空孔45具有随着自活性层23的相反侧向活性层23侧(向z的负方向)移动而上述第一顶点向正三角形的底边侧移动的形状。换言之，随着平行于x-y平面的截面向z的正方向移动，正三角形向x的正方向移动。因此，如(a)、(b)所示，空孔45具有上方朝向x的正方向倾斜的形状。与之相对，第三实施例的空孔55具有随着自活性层23的相反侧向活性层23侧移动而上述第一顶点向从正三角形的底边离开的方向移动的形状。换言之，随着平行于x-y平面的截面向z的正方向移动，正三角形向x的负方向移动。因此，如(a)、(b)所示，空孔55具有上方朝向x的负方向倾斜的形状。

利用三维FDTD法对第二实施例和第三实施例的激光光源在倾斜角度θ为30°而填充系数为16％时的Q_⊥A值及Q_⊥B值进行计算。其结果，在第二实施例中，Q_⊥A＝4095、Q_⊥B＝2581，在第三实施例中，Q_⊥A＝5849、Q_⊥B＝26200。这样，可知第二实施例及第三实施例都具有Q_⊥A值适于激光振荡的几千的值。另一方面，Q_⊥B值在第二实施例中可被抑制为低于Q_⊥A值，与之相对，在第三实施例中比Q_⊥A值高(其中，与专利文献2的情况相比，可减小1～2数量级(order))，因此，可以说为了在带端A选择性地进行激光振荡，第二实施例的构成比第三实施例的构成更为优选。

(3)第一实施例～第三实施例的比较

其次，参照图8～图12对第一实施例(θ＝30°)～第三实施例的激光光源说明二维光子晶体及活性层的内部的电场分布的计算结果，并对其结果和这些实施例的Q_⊥A值及Q_⊥B值的关系进行叙述。另外，作为比较例，如图8(a)所示，对具有主轴平行于z轴且相对于母材的表面未倾斜的三角柱状的空孔65正方晶格状配置后的二维光子晶体的激光光源(比较例1)也进行同样的计算。另外，电场分布的计算如图8(b)所示，对包含空孔65的活性层23侧的底面的面61、活性层23内的平行于该层的面62进行。

图9表示第一实施例的电场分布的计算结果、图10表示第二实施例的电场分布的计算结果、图11表示第三实施例的电场分布的计算结果、图12表示比较例1的电场分布的计算结果。各图均为：(a)表示面61的带端A的电场、(b)表示面61的带端B的电场、(c)表示面62的带端A的电场、(d)表示面62的带端B的电场。各图中的箭头的长度及方向表示x-y面内的电场的大小及方向。

这些图中，着眼于电场向量的y方向的成分Ey。首先，着眼于图9～图12(a)、(b)，将空孔中位于x方向的负侧端附近的区域661和位于x方向的正侧端附近的区域662进行比较。在第三实施例及比较例1的带端B，Ey在区域661和区域662之间大致成反对称，该情况下，Q值具有超过10000的值。与之相对，在所有例子的带端A及第一及第二实施例的带端B，这样的对称性不能发现，该情况下，Q中具有几千的值。即，电场对称性的降低和Q值的降低相关。

其次，图9～图12(c)、(d)中，对于任意的第一～第三实施例及比较例1而言，带端A、B都在沿y方向延伸的波节67中Ey为零。可观察到，该波节67的位置距面61的空孔的截面的重心越远而Q值就变得越小的倾向。例如在第一实施例中，与带端A的情况相比，带端B的情况下的波节67位于远离空孔25的面61上的重心(圆的重心)的位置，Q_⊥B值减小得小于Q_⊥A值。

同样，若将第二实施例和第三实施例的带端B的电场分布进行比较，则空孔的面61上的重心68和波节67的距离在第二实施例中比第三实施例中远，第三实施例的Q_⊥B值小于第二实施例的Q_⊥B值。可认为由于在重心68和波节67的距离的影响之上，在第二实施例中波节67朝向空孔的y方向上的宽度变窄的方向(x的正方向)偏离而使x方向的对称性更小，由此产生该第二实施例和第三实施例的不同。该波节67在x-y面内形成在与空孔整体的重心的x-y面内的位置接近的位置，因此，在第二实施例和第三实施例中，可以说空孔在主轴方向上的不同使得Q_⊥B值产生不同。

(4)第四实施例(第二实施方式的面发光激光)

作为本发明第四实施例，参照图13～图19说明本发明第四实施例。图13表示本实施例的激光光源的立体图。该激光光源除二维光子晶体层74外具有与第一实施例的激光光源相同的构成。下面，说明二维光子晶体层74的构成。

图14(a)表示二维光子晶体层74的上面图。二维光子晶体层74是在由p型GaAs构成且厚度为130nm的厚板状的母材上将异折射率区域集合体75以周期285nm配置成正方晶格状而成的层。图14(b)表示一个异折射率区域集合体75的上面图，图14(c)表示纵剖面图。异折射率区域集合体75由通过母材穿孔而形成的第一空孔751及第二空孔752构成。第一空孔751的形状为长边167nm、短边87nm、厚度120nm的正方体，第二空孔752的形状为直径56nm、厚度60nm的圆柱。第二空孔752与第一空孔的长边相邻配置。两者的中心间距离为90nm。二维光子晶体74中第一空孔751及第二空孔752所占的比例(填充系数)为0.18。

使用图15说明本实施例的激光光源的制造方法。

首先，(a)使用通常的MOCVD法等将包覆层272、分隔层262、活性层23、及由p型GaAs构成的母材81顺次层叠而形成第一层叠体82。其次，(b)在母材81上形成抗蚀剂83，利用电子束曝光法或纳米压印法等，与设置第一空孔751及第二空孔752的位置对应，在抗蚀剂83上形成平面形状为长边167nm×短边87nm的长方形的孔841、和直径56nm的圆形的孔842。之后，(c)将含氯的蚀刻气体导入抗蚀剂83上。(d)蚀刻气体从长方形孔841及圆形孔842分别对母材81进行干蚀刻。通过进行规定时间的该干蚀刻，在母材81中使在长方形孔841下形成规定厚度的第一空孔751穿孔、和使在圆形孔842下厚度比第一空孔751薄的第二空孔752穿孔，来制作二维光子晶体层74。第一空孔751和第二空孔752以不同的厚度形成的理由将后述。上述规定时间通过预备试验求出。干蚀刻结束后，将抗蚀剂83除去。

按照与第一层叠体82分体的方式，使用通常的MOCVD等将分隔层261、包覆层271及接触层28顺次层叠来制作第二层叠体85。(e)通过将二维光子晶体层74和分隔层261重合并加热到200～700℃，将两者熔接。最后，(f)在接触层28的表面蒸镀阳极电极21、在包覆层272的表面蒸镀阴极电极22，由此完成本实施例的激光光源。

对通过图15(d)的工序形成厚度不同的第一孔751及第二孔752的理由进行说明。由于圆形孔842的面积比长方形孔841的面积小得多(约1/5)，故与长方形孔841相比，蚀刻气体更难以侵入到圆形孔842。由此，自圆形孔842行进的蚀刻的速度比自长方形孔841行进的蚀刻速率慢。因此，该干蚀刻结束时刻的蚀刻深度，第一空孔751一方比第二空孔752深，因此，产生上述第一空孔751和第二空孔752的厚度不同。

图16是表示本实施例的制造方法的最后的工序(图15(d))结束后的二维光子晶体层74的显微镜照片的上面图(a)及纵剖面图(b))。由图16(a)可知，形成有平面形状为长方形的第一空孔751及圆形的第二空孔752。另外，由图16(b)可知，第一空孔751一方比第二空孔752厚。

关于本实施例的激光光源，测量了自电极注入的电流和发光强度的关系。同时，关于具有在母材上直径110nm、高度100nm的圆柱状的空孔以周期258nm配置成正方晶格状的二维光子晶体层、除此之外具有与本实施例相同的构造的激光光源(比较例2)，也进行同样的测量。图17(a)表示本实施例的测定结果，图17(b)表示比较例2的测定结果。与比较例2相比，本实施例一方的斜率(スロ一プ効率)高，得到强的发光强度。

关于本实施例的激光光源，对二维光子晶体层74内的电磁场分布进行计算。该计算中，在具有正方晶格状的折射率分布的二维光子晶体上，对四个带中Γ点(k＝0)附近能量最低的带端A进行了计算。图18表示计算结果。图中箭头的方向表示电场的方向，箭头的长度表示电场的强度，浓淡表示磁场的强度。此外，在此表示了对第一空孔751和第二空孔752之间的距离为114nm的情况(a)和85.5nm的情况(b)进行计算的结果。若根据该电磁场分布求取Q值，则(a)中为3396，(b)中为2378。均为适于将激光沿面垂直方向取出(例如参照专利文献1)的几千程度的值。

第一空孔751及第二空孔752的平面形状不限于上述，例如图19所示，只要满足第一空孔751一方比第二空孔752厚(使用图15所示的制造方法的情况下，第一空孔751一方的平面形状比第二空孔752的大)的条件，空孔751、第二空孔752均可以是各种形状。

Claims (3)

1.一种二维光子晶体面发光激光光源，具有：活性层和设置在该活性层一侧的二维光子晶体，其特征在于，

该二维光子晶体由在板状母材内周期性配置多个折射率不同于该母材的异折射率区域而成，所述异折射率区域为具有规定截面形状的柱状且该柱的主轴相对于母材的表面有倾斜。

2.如权利要求1所述的二维光子晶体面发光激光光源，其特征在于，所述异折射率区域为斜圆柱状，相对于母材的表面的垂线而该斜圆柱的主轴的倾斜度为20°～45°。

3.如权利要求1所述的二维光子晶体面发光激光光源，其特征在于，所述异折射率区域是在母材中截面为正三角形的斜正三角柱状，并且随着从最靠活性层之面朝向最远离活性层之面而向所述正三角形的顶点倾斜。

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