JP2001257425A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子及びその製造方法

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JP2001257425A
JP2001257425A JP2000069121A JP2000069121A JP2001257425A JP 2001257425 A JP2001257425 A JP 2001257425A JP 2000069121 A JP2000069121 A JP 2000069121A JP 2000069121 A JP2000069121 A JP 2000069121A JP 2001257425 A JP2001257425 A JP 2001257425A
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Masahiro Kito
雅弘 鬼頭
Masato Ishino
正人 石野
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低閾値電流特性を備えた半導体レーザ素子及
びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 ３次元フォトニック結晶構造の前駆体510
と光閉じ込め部を含むストライプ509Aが形成された基板
とを貼り合わせることによって、３次元フォトニック結
晶構造体の中央部に光閉じ込め部が形成された構造体が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
及びその製造方法に関し、特に、光通信光源及び光ディ
スク光源に適した半導体レーザ素子及びその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の一般的な半導体レーザ素子は、基
本的には、ｐ型電極、ｎ型電極、ｐ型光導波路、ｎ型光
導波路、活性層とから構成されている。かかる構成にお
いて、活性層周辺に設けられたｐ型電極、ｎ型電極、ｐ
型光導波路及びｎ型光導波路は、活性層とは構成材料が
異なるため、活性層で発生した光は閉じ込められ、活性
層で誘導放出を発生させてレーザ光が生成される。ま
た、僻かい面を共振器とするいわゆるファブリペロー共
振器として知られるように、一定の波長の光が増幅され
る構成となっている場合もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た一般的な構成の半導体レーザ素子を光通信光源及び光
ディスク光源等に適用する場合には、よりいっそうの低
電流かつ高出力の特性を有することが望まれ、従って、
よりいっそうの改良が望まれている。そこで、本発明
は、上記課題に鑑みてなされたものであって、低閾値電
流特性を備えた半導体レーザ素子及びその製造方法を提
供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】はじめに、近年、誘電率
の３次元的周期構造を人工的に創生して、あたかも結晶
中の電子の振る舞いと同様に、電磁波の振る舞いを制御
する材料構造が注目されている。このような人工的に造
られた構造体は、３次元フォトニック結晶と呼ばれ、こ
の構造に起因する光波長に相当する電磁波バンドはフォ
トニックバンドと称される。
【０００５】フォトニックバンド構造が注目される理由
は、従来不可能であった光子の完全な空間的制御が可能
なため、閾値が極めて小さく（理論的には閾値が存在し
なくなる。）、出力や波長が温度変化に対して変動の小
さいレーザ光が得られる点にある。また、全空間に対し
て光の放射を制御できるので、電気−光エネルギー交換
効率に極めて優れる、言い換えると、低消費電力のレー
ザが実現可能となる点にある。そして、特に、３次元周
期構造からなる３次元フォトニックバンド構造では上記
効果が最大限に発揮される。
【０００６】３次元フォトニック結晶構造体の一例（特
開平10−335758号公報に開示されたもの）を、図１１に
示す。この図に示す３次元フォトニック結晶構造体は、
２次元的にほぼ周期的に凹凸を持つ２種類以上の膜状物
質を周期的に順次、積層した構造体である。例えば、２
種類の材料A1101（Si）と材料B1102（SiO2）とから構成
される。このような３次元構造によって材料A1101及び
材料B1102の光の屈折率差のために一定の波長の光の伝
播を遮断させて結晶構造体内に閉じ込めることが可能と
なる。
【０００７】しかし、上記した３次元フォトニック結晶
構造体の構造からして、その内部に活性層を形成するこ
とにより半導体レーザ素子を実現することは事実上不可
能である。そこで、発明者らは、一定の方向に沿って光
の屈折率が周期的に変化する屈折率変化層が複数積層さ
れてなる３次元フォトニック結晶構造体を用い、３次元
フォトニック結晶構造体の内部に給電によりレーザ光を
発生する活性部を形成することによって、３次元フォト
ニック結晶構造体の優れた光閉じ込め効果を利用した半
導体レーザ素子を実現するに到った。
【０００８】即ち、上記課題を解決するために、本発明
は、第一の方向に沿って周期的に光の屈折率の大きさが
変化する第一の屈折率変化層と、前記第一の方向と異な
る方向の第二の方向に沿って周期的に光の屈折率の大き
さが変化する第二の屈折率変化層とが交互に積層され
て、光閉じ込め効果を有する３次元フォトニック結晶構
造体が構成されるとともに、当該３次元フォトニック結
晶構造体の中央部で、所定の大きさの屈折率を有する部
分に、給電によりレーザ光を発生する活性部が挿設され
ていることを特徴とする。
【０００９】これにより、３次元フォトニック結晶構造
体の光閉じ込め作用を利用できるので、活性部で発生し
た光の閉じ込め効果に優れ、低閾値電流特性の半導体レ
ーザ素子が実現される。しかも、３次元フォトニック結
晶構造体に上記のような単純な積層体を用いるのではな
く、第一の方向に沿って周期的に光の屈折率が変化する
第一の屈折率変化層と、前記第一の方向と異なる方向の
第二の方向に沿って周期的に光の屈折率が変化する第二
の屈折率変化層とが交互に積層されてなるものを用いる
ので、積層するプロセスにおいて活性部を形成すること
が可能となるため、３次元フォトニック結晶構造体を適
用した半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１０】ここで、前記第一の屈折率変化層は、第一
の方向に沿って複数の光学的屈折柱状体が空間をおいて
所定ピッチで平行に配されてなり、又、第二の屈折率変
化層は、複数の光学的屈折柱状体が第二の方向に沿って
空間をおいて所定ピッチで平行に配されてなり、更に、
前記第一の屈折率変化層及び第二の屈折率変化層の何れ
かにおいて一の光学的屈折柱状体が配置される位置に、
当該柱状体に替えて、活性部を含むレーザ発光柱状体が
配されているものとすることができる。
【００１１】ここで、前記活性部は前記レーザ発光柱状
体の長手方向に沿った中央部に形成されており、当該レ
ーザ発光柱状体において活性部端縁からレーザ発光柱状
体の両端部にいたる部分はキャリア伝導路を兼用するｐ
型光導波路及びｎ型光導波路が形成されているものとす
ることができる。ここで、前記３次元フォトニック結晶
構造体は、前記柱状体のｐ型光導波路、ｎ型光導波路と
位置が整合する状態で、ｐ型キャリア伝導路、ｎ型キャ
リア伝導路が形成され、前記ｐ型キャリア伝導路に位置
を整合させてｐ型コンタクト層及びｐ型電極が、前記ｎ
型キャリア伝導路に位置を整合させてｎ型コンタクト層
及びｎ型電極が形成されているものとすることができ
る。
【００１２】また、上記課題を解決するために、本発明
は、複数の光学的屈折柱状体と給電によりレーザ光を発
生させる活性部を含むレーザ発光柱状体とを規則的に配
置する工程を含むことを特徴とする。これによれば、３
次元フォトニック結晶構造体を構成する各要素を積層す
るプロセスにおいて活性部を形成することが可能となる
ため、３次元フォトニック結晶構造体を適用した半導体
レーザ素子を実現することができる。この結果、３次元
フォトニック結晶構造体の光閉じ込め作用を利用できる
ので、活性部で発生した光の閉じ込め効果に優れ、低閾
値電流特性の半導体レーザ素子が実現される。
【００１３】ここで、前記複数の光学的屈折柱状体とレ
ーザ発光柱状体とを配置する前記工程は、前記光学的屈
折柱状体複数を並列状に配置することにより、一の方向
に周期的に光の屈折率が変化する屈折率変化層を作製す
る第一のサブ工程と、給電によりレーザ光を発生する活
性部を含むレーザ発光柱状体と複数の光学的屈折柱状体
を並列状に配置することにより、光学的屈折柱状体の間
に前記レーザ発光柱状体が位置する状態で配置しレーザ
発光層を作製する第二のサブ工程と、前記屈折率変化層
とレーザ発光層とを積層する第三のサブ工程と、を含む
ものとすることができる。
【００１４】このように３次元フォトニック結晶構造体
に図１１に示したような単純な積層体を用いるのではな
く、第一の方向に沿って周期的に光の屈折率が変化する
第一の屈折率変化層と、前記第一の方向と異なる方向の
第二の方向に沿って周期的に光の屈折率が変化する第二
の屈折率変化層とが交互に積層されてなるものを用いる
ので、３次元フォトニック結晶構造体を構成する各要素
を積層するプロセスにおいて活性部を形成することが可
能となることに加えて、より容易に３次元フォトニック
結晶構造体を適用した半導体レーザ素子を実現すること
ができる。
【００１５】ここで、前記第一のサブ工程は、複数の光
学的屈折柱状体を平行に等ピッチで配置することにより
光学的屈折柱状体とその間の柱状空気層とで屈折率が周
期的に変化する屈折率変化層を作製し、第二のサブ工程
は、複数の光学的屈折柱状体を平行に前記屈折率変化層
と同じピッチで配列し、中央部分には光学的屈折柱状体
に替えてレーザ発光柱状体が位置する状態のレーザ発光
層を作製するものとことができる。
【００１６】ここで、前記第二のサブ工程は、所定の基
板表面にエッチングストップ層を形成する第一のステッ
プと、当該エッチングストップ層表面に活性部に近い形
状の活性部領域を形成する第二のステップと、前記エッ
チングストップ層表面にｐ型光導波路及びｎ型光導波路
の形状に近い形状となるように活性部領域に隣接させて
ｐ型光導波路領域及びｎ型光導波路領域を形成する第三
のステップと、活性部領域、ｐ型光導波路領域及びｎ型
光導波路領域の周囲に前記光学的屈折柱状体を構成する
物質を膜状に配置する第四のステップと、前記屈折率変
化層と同じ配置周期となるように前記活性部領域、ｐ型
光導波路領域、ｎ型光導波路領域及び光学的屈折柱状体
の構成物質の膜をパターニングすることによってレーザ
発光層を作製する第五のステップと、を含み、又、前記
第三のサブ工程は、屈折率変化層とレーザ発光層を積層
したのち前記基板及びエッチングストップ層を除去する
ステップを含むものとすることができる。
【００１７】ここで、前記第二のステップは、前記エッ
チングストップ層表面に活性部を構成する物質を成膜す
る第一のサブステップと、当該膜をパターニングするこ
とによって活性部領域を形成する第二のサブステップ
と、を含むものとすることができる。ここで、前記第二
のステップは、前記エッチングストップ層表面に絶縁物
質を成膜する第一のサブステップと、前記絶縁物質の膜
に凹部を形成する第二のサブステップと、前記凹部に活
性部領域を有機金属気相成長法によって形成する第三の
サブステップと、当該活性部領域を形成した後前記絶縁
物質の膜を除去する第四のサブステップと、を含むもの
とすることができる。
【００１８】ここで、前記活性部は、量子井戸型であっ
て、前記第二のサブ工程は、所定の基板表面にエッチン
グストップ層を形成する第一のステップと、当該エッチ
ングストップ層表面に、活性部、ｐ型光導波路及びｎ型
光導波路を含めた大きさ近くの、活性部を構成する物質
の帯状体を形成する第二のステップと、当該帯状体の端
部から中央付近を残して不純物を導入して導入した部分
をｐ型光導波路領域及びｎ型光導波路領域とすることに
より不純物を導入しない部分を活性部領域とする第三の
ステップと、活性部領域、ｐ型光導波路領域及びｎ型光
導波路領域の周囲に前記光学的屈折柱状体を構成する物
質を成膜する第四のステップと、前記屈折率変化層と同
じ配置周期となるように前記活性部領域、ｐ型光導波
路、ｎ型光導波路及び光学的屈折柱状体の構成物質の膜
をパターニングすることによってレーザ発光層を作製す
る第五のステップと、を含み、又、前記第三のサブ工程
は、屈折率変化層とレーザ発光層を積層したのち前記基
板及びエッチングストップ層を除去するステップを含む
ものとすることができる。
【００１９】ここで、前記第二のステップは、活性部を
構成する物質を前記エッチングストップ層表面に成膜す
る第一のサブステップと、当該膜をパターニングするこ
とによって、前記帯状体を形成する第二のサブステップ
と、を含むものとすることができる。ここで、前記第二
のステップは、前記エッチングストップ層表面に絶縁物
質を成膜する第一のサブステップと、前記絶縁物質の膜
にストライプ状の溝を形成する第二のサブステップと、
前記溝に活性部領域を有機金属気相成長法によって形成
する第三のサブステップと、当該活性部領域を形成した
後前記絶縁物質の膜を除去する第四のサブステップと、
を含むものとすることができる。
【００２０】ここで、前記屈折率変化層及びレーザ発光
層を積層して３次元フォトニック結晶構造を作製した
後、ｐ型光導波路及びｎ型光導波路と位置を整合させる
ように、ｐ型キャリア伝導路及びｎ型キャリア伝導路を
形成する第二の工程を含むものとすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】<実施の形態１>以下に本発明の半
導体レーザ素子を適用した実施の形態１にかかる半導体
レーザ素子について図面を参照にしながら説明する。図
１（ａ）は、本実施の形態にかかる半導体レーザ素子１
の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ
−Ａ’線を含む垂直断面図である。
【００２２】半導体レーザ素子１は、３次元フォトニッ
ク結晶構造の光閉じ込め効果を利用したものであって、
高抵抗InP基板101と、その表面に形成されたアンドープ
InGaAsエッチングストップ層102、更にその表面に形成
された３次元フォトニック結晶構造体103、更にその表
面に形成されたInGaAsコンタクト層（厚さ0.2μｍ）104
（ｐ型部分、ｎ型部分、絶縁部分とからなる。）と、当
該層104の表面に形成されたP型電極105と、ｎ型電極106
とから構成されている。
【００２３】３次元フォトニック結晶構造体103は、ス
トライプ状InP103Aが平行に一定のピッチで配列される
ことで光の屈折率が一定の方向に周期的に変化するよう
構成された屈折率変化層103Bが複数層に渡って積層され
た上部構造体103Cと、同様に屈折率変化層103Bが複数層
に渡って積層された下部構造体103Dと、上部構造体103C
と下部構造体103Dに挟まれて位置するレーザ発光層103E
とから構成されている。
【００２４】レーザ発光層103Eは、屈折率変化層103Bに
おいて中央部分のストライプ状InPが活性層を含むスト
ライプ状の光閉じ込め部303に置き換わった構造体であ
る。次に、屈折率変化層103B及びレーザ発光層103Eの位
置関係について詳細に説明する。図２は、３次元フォト
ニック結晶構造体103の上部から見た図である。
【００２５】図２（ａ）に示すように、基板201（ここ
でいう基板とは、高抵抗InP基板101上にアンドープInGa
Asエッチングストップ層102が積層されたもの）側から1
層目屈折率変化層のストライプ状InP202と2層目の屈折
率変化層のストライプ状InP203はその延伸方向が互いに
直交関係にある。また、図２（ｂ）に示すように、3層
目の屈折率変化層のストライプ状InP204と1層目の屈折
率変化層のストライプInP202はその延伸方向が互いに平
行関係にあり、かつ、その周期の位相が180度ずれた関
係にある。更に、図２（ｃ）に示すように、4層目の屈
折率変化層のストライプ状InP205と3層目の屈折率変化
層のストライプ状InP204とはその延伸方向が互いに直交
関係にあり、かつ、2層目の屈折率変化層のストライプ
状InP203とはその延伸方向が互いに平行関係にあり、そ
の周期の位相が１８０度ずれている関係にある。5層目
以上の屈折率変化層のストライプ状InPについても1層目
から4層目の関係を繰り返した構成となっている。これ
により、互いに光の屈折率の異なる空気層とInP層とが
３次元的に規則正しく配列した面心立方構造となり、３
次元のフォトニック結晶構造体が実現される。（S. Nod
a et al., Jpn. J. Appl.Phys., 35，L909（199
6）））。なお、空気層（或いはInP層）が配列する周期
によって、閉じ込められる光の波長が決定される。
【００２６】図３は、上記３次元フォトニック結晶構造
体を上部から透視した図である。図３に示すように 、
レーザ発光層103Eにおいて光閉じ込め部303は、３つの
領域から構成され、延伸方向の中央部分に位置する活性
層304と、それと接触して左右に形成されたｐ型光導波
路305と、ｎ型光導波路306とからなる。活性層304の両
側に形成されたｐ型光導波路305及びｎ型光導波路306か
ら供給された電流により活性層304で発生した光（本実
施の形態では、波長1.3μｍの赤外）はフォトニック結
晶内に伝播されないため、活性層304中に局在すること
となり、活性層304において誘導放出を引き起こさせ光
が増幅されることになる。このため、低閾値電流特性を
有する半導体レーザが実現される。
【００２７】ｐ型光導波路305及びｎ型光導波路306は材
料が周囲の材料であるInPと異なるため、光の屈折率が
大きく変化するのでこれらの部分には光が存在すること
は可能となり、活性層で発生したレーザ光をｐ型光導波
路305及びｎ型光導波路306を伝播させて外部へ取り出す
ことが可能となる。このようにｐ型光導波路305及びｎ
型光導波路306はキャリアの伝導路と光導波路とを兼用
する。
【００２８】上記３次元フォトニック結晶構造体103は
３つの領域からなり、第一の領域は活性層304を含む高
抵抗領域107（活性層以外の部分は絶縁領域）であり、
第二の領域はｐ型光導波路305を含むｐ型伝導領域108
（ホールを輸送する領域）であり、第三の領域はｎ型光
導波路306（電子を輸送する領域）を含むｎ型伝導領域1
09である（図１（ｂ）参照）。
【００２９】ｐ型伝導領域108へはｐ型InGaAsコンタク
ト層110を介して、ｐ型電極から正孔が供給される。ま
た、ｎ型伝導領域109にはｎ型InGaAsコンタクト層111を
介して、ｎ型電極106から電子が供給される。このよう
な構成とすることによって、直接、ｐ型光導波路305及
びｎ型光導波路306に電流を流す場合と比較して、スト
ライプ状InP同士が接触する箇所に比例して電流が流れ
る面積を広くすることが可能となり、抵抗を小さくする
ことができる。
【００３０】次に上記半導体レーザ素子の製造方法につ
いて図面を参照にしながら説明する。上記半導体レーザ
素子は、まず、はじめに、光閉じ込め部が中央部分に挿
設された３次元フォトニック結晶構造体を作製し、その
後、この３次元フォトニック結晶構造体上にInGaAsコン
タクト層104、ｐ型電極105、及びｎ型電極106を作製す
ることによって製造される。
【００３１】図４は、３次元フォトニック結晶構造体の
作製方法を示す一部工程図である。図４（ａ）に示すよ
うに、（００１）面に配向した高抵抗InP基板401上に所
定の膜厚（例えば、0.15μｍ）にアンドープInGaAsエッ
チングストップ層402を有機金属気相成長法により堆積
させる。次に、所定の膜厚（例えば、0.19μｍ）にアン
ドープInP層403を同様に有機金属気相成長法により堆積
させる。
【００３２】次に、図４（ｂ）に示すように、アンドー
プInP層403を選択的にエッチングし、（１１０）方向に
ストライプ状となるように所定の周期（周期とは、隣接
するストライプどうしのギャップを意味し、例えば、0.
7μｍ）で所定の幅（0.18μｍ）のストライプ状InP層40
4を形成する。このようにして形成されたのが、前記屈
折率変化層103Bとなる。このストライプ状InPの配置さ
れる周期及び寸法によって３次元フォトニック結晶構造
体における閉じ込める光の波長が規定されることになる
ため、上記周期等のかっこ内の具体例は、レーザ光の発
振波長を１．３μｍ帯とした場合のものである。
【００３３】次に、図４（ｂ）まで作製した２つの構造
体Ａ及びＢをストライプ状InP層404A及び404Bが互いに
直交（90度）の関係となるように接触させ、接触させた
状態で加熱することにより、ストライプ状InP層404A及
び404Bどうしを原子レベルで密着させ、２つの屈折率変
化層を接合させて図４（ｃ）に示すようにする。次に、
図４（ｄ）に示すように、上記構造体Ａ及びＢのInP基
板の何れか（ここでは構造体Ｂ)をエッチングにより除
去した後、アンドープInGaAsエッチングストップ層402
をエッチングして除去する。
【００３４】次に、図４（ｄ）まで作製した２つの構造
体Ｃ及びＤをストライプ状InP層404C及び404Dが互いに
直交（90度）の関係となるように、各々を接触させる。
この時、一層隔てて位置することになるストライプ状In
P層405C及び405Dとは平行関係にあり、かつ、ストライ
プの周期の位相が１８０度ずれるようにする。これを加
熱することにより、ストライプ状InP層どうしを原子レ
ベルで密着させ、図４（ｅ）に示すような構造物が得ら
れる。このようにして、３つの屈折率変化層が接合され
る。
【００３５】更に、図４（ｆ）に示すように上記構造体
Ｃ及びＤの何れかのInP基板及びアンドープInGaAsエッ
チングストップ層をエッチングにより除去する。以上の
ようにして３次元フォトニック結晶構造体の前駆体てあ
る上部構造体・下部構造体を作製する。続いて、図５及
び図６を用いて活性層、ｐ型光導波路、及びｎ型導波路
かなる光閉じ込め部303を含んだレーザ発光層の作製方
法について説明する。
【００３６】図５は、これを作製する工程を示す工程図
であり、図６は、活性層を作製したのちに３次元フォト
ニック結晶構造を完成させる工程を示す図４に示す工程
以降の工程図である。図５（ａ）に示すように、（００
１）面配向の高抵抗InP基板501上に所定の膜厚（例え
ば、0.15μｍ）にアンドープInGaAsエッチングストップ
層502、次いで、所定の膜厚（0.15μｍ）に所定の組成
波長（ここでは、1.3μｍ）のInGaAsP層503を有機金属
気相成長法により順次堆積させる。
【００３７】次に、図５（ｂ）に示すように、（１１
０）方向に所定の幅（例えば、0.1μｍ）、 方向に所定の幅（例えば、0.3μｍ）のInGaAsP領域503A
を残してInGaAsP層503の他の部分をInGaAsエッチングス
トップ層502の表面までエッチングする。このInGaAsP領
域503Aが後に活性層304となる。次に、図５（ｃ）に示
すように、InGaAsエッチングストップ層502上に所定の
膜厚（例えば、0.15μｍ）のアンドープInP層504を有機
金属気相成長法により堆積させ、InGaAsP領域503Aを埋
め込む。
【００３８】次に、アンドープInP層504上にＳiＯ2層50
5を堆積させ、このＳiＯ2層505の一部をエッチングによ
り除去し、ＳiＯ2層505をマスクとして、アンドープInP
層504の一部をエッチングにより除去する。この結果図
５（ｄ）に示すように、ＳiＯ 2層505及びアンドープInP
層504部分に溝506が形成された構造体が得られる。溝50
6の寸法は、（１１０）方向に例えば５００μｍ、 方向に０.４μｍ程度とすることができる。また、InGaA
sP領域503Aの（１１０）方向側の側面が露出するように
溝506の形成を行う必要がある。これは後に形成するｐ
型光導波路と活性層とを接触させる必要があるからであ
る。
【００３９】次に、図５（ｅ）に示すように、アンドー
プInP層504の除去部分の前記溝506に所定の組成波長
（ここでは、１.０５μｍ）のInGaAsPを有機金属気相成
長法により堆積させ、InGaAsP層507を形成する。これが
ｐ型光導波路305となる。次に、図５（ｆ）に示すよう
に、ＳiＯ2層505をエッチングにより除去する。次に、
図５（ｇ）に示すように上記した図５（ｄ）から図
（ｆ）に示した工程と同様にして、InGaAsP領域503Aを
挟んでInGaAsP層507とは（１１０）方向に反対側に所定
の組成波長（ここでは、InGaAsP層507の組成波長と同じ
もの。）のInGaAsPを有機金属気相成長法により堆積さ
せ、InGaAsP層508を形成する。これがｎ型光導波路306
となる。
【００４０】次に、図５（ｈ）に示すように、アンドー
プInP層504、InGaAsP領域503A、InGaAsP層507、及びInG
aAsP層508を、InGaAsP領域503A、InGaAsP層507、及びIn
GaAsP層508が一本のストライプに含まれるように選択的
にエッチングすることによって、（１１０）方向に延び
る上記した３次元フォトニック結晶構造体の前駆体のス
トライプ状InPの配列周期と同じ所定の周期・所定の幅
のストライプ509を形成する。ここに、InGaAsP領域503
A、InGaAsP層507、及びInGaAsP層508が含まれた一本の
ストライプ509Aが光閉じ込め部303となる。
【００４１】このようにしてレーザ発光層が形成され
る。次に、図５（ｉ）に示すように、先に作製した図４
（ｅ）に示す３次元フォトニック結晶構造体の前駆体51
0を、図５（ｈ）に示す構造とストライプが互いに直交
（90度）の関係となるように、ストライプどうしを接触
させ、これを加熱することにより密着させる。この時、
ストライプ509は、一層隔てて位置するストライプ511と
が平行関係にあり、かつ、ストライプの周期の位相が１
８０度ずれるように位置合わせして両者を密着させる。
【００４２】次に、図６（ａ）に示すように、ストライ
プ509を形成した側のInP基板501、アンドープInGaAsエ
ッチングストップ層502をエッチングにより除去する。
次に、先に作製した図４（ｅ）に示すフォトニック結晶
構造体の前駆体510と、図６（ａ）に示す構造体と一層
隔てて位置するストライプが平行関係にあり、、かつ、
ストライプの周期の位相が１８０度ずれるように位置合
わせしてストライプどうしを互いに接触させ、これを加
熱することによって図６（ｂ）に示すようにする。
【００４３】このようにして、２つの３次元フォトニッ
ク結晶構造の前駆体である上部構造体・下部構造体に光
閉じ込め部を含むストライプ509が形成されたレーザ発
光層がいわゆるサンドイッチ状に挟まれ、内部に光閉じ
込め部303が挿設された３次元フォトニック結晶構造体
が得られる。次に、図６（ｃ）に示すように、片側のIn
P基板514（図４の401と同様）をエッチングにより除去
し、アンドープInGaAsエッチングストップ層515（図４
の402と同様）を露出させる。
【００４４】次に、アンドープInGaAsエッチングストッ
プ層515表面にＳiＯ2層516を堆積させ、図７（ａ）に示
すように一部をエッチングにより除去する。この時、Ｓ
iＯ2層516の下部には、InGaAsP領域503A及びInGaAsP層5
08が完全に含まれるように、アンドープInGaAs層エッチ
ングストップ515が露出した部分517の下部には、InGaAs
P層507の少なくとも一部が含まれるようにするエッチン
グを行う。これは、以下の工程において不純物を位置選
択的に注入するためである。
【００４５】次に、図７（ｂ）に示すようにアンドープ
InGaAsエッチングストップ層の露出部分から不純物イオ
ン（ここでは、Ｚｎ）を注入する。不純物イオンを注入
したのち、熱処理を行って不純物イオンを活性化させて
アンドープInGaAsエッチングストップ層515の一部（図
１の要素番号１１０の部分に相当、次の処理では、図１
の要素番号１１１の部分に相当）及び３次元フォトニッ
ク結晶構造中のInGaAs層からびInGaAsP層507にいたるま
でのストライプ状InP部分に不純物イオンを導入して、
その部分の伝導型をｐ型にする。
【００４６】次に、図７（ａ）、（ｂ）に示したのと同
様の工程によって、図７（ｃ）のようにアンドープInGa
Asエッチングストップ層及び３次元フォトニック結晶構
造体中のｎ型光導波路にいたるまでの部分で、アンドー
プInGaAsエッチングストップ層が露出した部分５１８の
下部に位置する部分に、不純物イオン（ここではＳｉ）
を導入して、その部分の伝導型をｎ型にする。
【００４７】そして、最後に、図７（ｄ）に示すように
InGaAs層515のｐ型部分の表面にｐ型電極519を、ｎ型の
InGaAs層515のｎ型部分にｎ型電極520を形成することに
より半導体レーザ素子が完成される。 <実施の形態２>次に実施の形態２にかかる半導体レーザ
素子について説明する。当該半導体レーザ素子の構成
は、実施の形態１にかかるものと同様であるが、製造方
法が異なっている。以下に相違点について説明する。
【００４８】図４及び図６から図８を参照にしながら半
導体レーザ素子の製造方法について説明する。図８は光
閉じ込め部を含むレーザ発光層の作製方法を示す工程図
である。（００１）面に配向した高抵抗InP基板801上に
所定の膜厚（0.15μｍ）のアンドープInGaAsエッチング
ストップ層802を有機金属気相成長法により堆積させ
る。続いて、ＳiＯ2層803をアンドープInGaAsエッチン
グストップ層802上に堆積させ、絶縁物質であるＳiＯ2
層803の一部をアンドープInGaAsエッチングストップ層8
02表面部分までエッチングにより除去して凹部804を形
成する。これにより図８（ａ）に示すような構造体が得
られる。
【００４９】ここで、凹部804の寸法は、（１１０）方
向に０．１５μｍ、 方向に０．３５μｍとすることができる。次に、図８
（ｂ）に示すように、凹部804部分に所定の組成波長
（ここでは１．３μｍ）のInGaAsP領域805を位置選択的
に有機金属気相成長法により形成する。なお、有機金属
気相成長法によってInGaAsPを成膜する場合、ＳiＯ2層
の表面には結晶の成長は起こらず、凹部から露出したア
ンドープInGaAsエッチングストップ層802表面に選択的
に結晶を成長させることができる。絶縁物質としては、
ＳiＯ2以外にもＳｉＮなどを用いるもともできる。
【００５０】次に、図８（ｃ）に示すように、残りのＳ
iＯ2層803をエッチングにより除去した後、アンドープI
nP層806を堆積させて、InGaAsP領域805を埋め込ませ
る。次に、図８（ｄ）に示すようにアンドープInP層806
上にＳiＯ2層807を堆積させた後、ＳiＯ2層807の一部を
エッチングに除去して溝807Aを形成する。そして、Ｓi
Ｏ2層807をマスクとして、アンドープInP層806の一部を
エッチングにより除去して溝807Aと同じパターンの溝80
6Aを形成する。なお、溝806Aの形成はInGaAsP領域805の
側面が露出した状態になるように行う。
【００５１】次に、図８（ｅ）に示すように、溝806A部
分に所定の組成波長（ここでは、１．０５μｍ）のInGa
AsP層808を有機金属気相成長法により堆積させる。次
に、図８（ｆ）に示すように、ＳiＯ2層807を除去す
る。次に、図８（ｇ）に示すように上記した図８（ｄ）
から（ｆ）に示す工程と同様にして、InGaAsP領域805挟
むようにInGaAsP層808と（１１０）方向において反対側
にこれと同じ組成波長のInGaAsP層809を形成する。
【００５２】次に、図８（ｈ）に示すように、アンドー
プInP層806、InGaAsP領域805、InGaAsP層808及びInGaAs
P層809を、InGaAsP領域805、InGaAsP層808及びInGaAsP層
809が一本のストライプに含まれるように選択的にエッ
チングすることによって、（１１０）方向に延びる上記
した３次元フォトニック結晶構造体の前駆体のストライ
プ状InPの配列周期と同じ所定の周期・所定の幅のスト
ライプ810を形成する。ここに、InGaAsP片805A、InGaAs
P層808、及びInGaAsP層809が含まれた一本のストライプ
が光閉じ込め部となる。
【００５３】このようにしてレーザ発光層が作製され
る。次に、図８（ｉ）に示すように、先に作製した図４
（ｅ）に示す３次元フォトニック結晶構造体の前駆体81
1を、図８（ｈ）に示す構造とストライプが互いに直交
（90度）の関係となるように、ストライプどうしを接触
させ、これを加熱することにより密着させる。この時、
ストライプ810は、一層隔てて位置するストライプ812と
が平行関係にあり、かつ、ストライプの周期の位相が１
８０度ずれるように位置合わせして両者を密着させる。
【００５４】次に、図６及び図７に示した工程と同じ工
程を経ることにより本実施の形態にかかる半導体レーザ
素子が完成する。以上述べた製法によれば、実施の形態
１における製造方法のように活性層を形成するためのエ
ッチング工程を必要としないため、活性層に欠陥が生じ
難く、信頼性の高い半導体レーザ素子が実現可能とな
る。
【００５５】<実施の形態３>次に実施の形態３にかかる
半導体レーザ素子について説明する。当該半導体レーザ
素子の構成は、基本的には実施の形態１にかかるものと
同様であるが、活性層が多重量子井戸構造となっている
点が異なっている。以下に相違点について説明する。
【００５６】活性層304は、複数対（例えば５対）の井
戸層及び障壁層とからなる。井戸層には組成波長１．４
μｍのInGaAsPを、障壁層には組成波長１．０５μｍのI
nGaAsPを用いることができる。そして、井戸層の膜厚は
０.００６μｍ、障壁層の膜厚は０.０１μｍに設定する
ことができる。次に本実施の形態にかかる半導体レーザ
素子の製造方法に付いて説明する。
【００５７】図９は、光閉じ込め部を含むレーザ発光層
の形成方法を示す工程図である。図９（ａ）に示すよう
に、（００１）面に配向した高抵抗InP基板901上に所定
の膜厚のアンドープInGaAsエッチングストップ層902、
井戸層及び障壁層からなる多重量子井戸層903を順次、
有機金属気相成長方法により堆積させる。次に、多重量
子井戸層903をエッチングにより一部を除去して（１１
０）方向に延びる多重量子井戸ストライプ903Aを形成す
る。この多重量子井戸ストライプ903Aは、例えば、（１
１０）方向に５００μｍ、 方向に０．３μｍのものとすることができる。
【００５８】次に、図９（ｃ）に示すように多重量子井
戸ストライプ903Aの一端部側からストライプが延伸され
た方向に沿った所定量の一部分を覆うようにアンドープ
InGaAsエッチングストップ層902の表面にＳiＯ2層904を
堆積させる。次に、図９（ｄ）に示すように、ＳiＯ2層
904が堆積されていない多重量子井戸ストライプ903Aの
部分903B及びアンドープInGaAｓエッチングストップ層9
02の部分902Aの表面905から不純物イオン（ここではＺ
ｎ）を注入し、熱処理を施すことによって、その部分の
伝導型をｐ型とする。不純物イオンが注入された多重量
子井戸ストライプ部分903B及びアンドープInGaAｓエッ
チングストップ層902の部分は、量子井戸構造が無秩序
化されることで、バンドギャップエネルギーがレーザ発
振エネルギーよりも大きくなり、光導波路として作用す
る。
【００５９】次に、図９（ｅ）に示すようにＳiＯ2層90
4を除去する。次に、図９（ｆ）に示すように上記した
図９（ｃ）から（ｅ）に示した工程と同様にして、多重
量子井戸ストライプ903Aの先ほどとはストライプの延伸
方向において反対側の端部側から先ほど被覆しなかった
部分のうちの一部分を覆うようにアンドープInGaAsエッ
チングストップ層の表面にＳiＯ2層を堆積させ、ＳiＯ2
層から露出した表面から不純物イオン（ここではＳi）
を注入・熱処理を施して、その部分の伝導型をｎ型とす
る。Ｓiを注入した活性層の領域は、量子井戸構造が無
秩序化されることで、バンドギャップエネルギーがレー
ザ発振エネルギーよりも大きくなり、光導波路として作
用するこの結果、多重量子井戸ストライプ903Aは、ｐ型
光導波路906、多重量子井戸領域907、及びｎ型光導波路
908、複数の領域がストライプの延伸方向に沿って配列
したものとなる。
【００６０】次に、図９（ｇ）に示すように、アンドー
プInP層909をInGaAsエッチングストップ層902（アンド
ープInGaAsエッチングストップ層がトープされた部分も
含むもの）表面に堆積し、ｐ型光導波路906、多重量子
井戸領域907、及びｎ型光導波路908を埋め込む。次に、
図９（ｈ）に示すように、アンドープInP層909、ｐ型光
導波路906、多重量子井戸領域907、及びｎ型光導波路90
8を、ｐ型光導波路906、多重量子井戸領域907、及びｎ
型光導波路908が一本のストライプに含まれるように選
択的にエッチングすることによって、（１１０）方向に
延びる上記した３次元フォトニック結晶構造体の前駆体
のストライプ状InPの配列周期と同じ所定の周期・所定
の幅のストライプ910を形成する。ここに、ｐ型光導波
路906、多重量子井戸領域907、及びｎ型光導波路908が
含まれた一本のストライプが光閉じ込め部となる。
【００６１】このようにしてレーザ発光層が形成され
る。次に、図９（ｉ）に示すように、先に作製した図４
（ｅ）に示す３次元フォトニック結晶構造体の前駆体91
1を、図９（ｈ）に示す構造とストライプが互いに直交
（90度）の関係となるように、ストライプどうしを接触
させ、これを加熱することにより密着させる。この時、
ストライプ910は、一層隔てて位置するストライプ912と
が平行関係にあり、かつ、ストライプの周期の位相が１
８０度ずれるように位置合わせして両者を密着させる。
【００６２】次に、図６及び図７に示した工程と同じ工
程を経ることにより本実施の形態にかかる半導体レーザ
素子が完成する。以上の製法によれば、光導波路を形成
するために結晶を再成長させる工程を省くことが可能と
なる。即ち、予め光導波路となる部分に、多重量子井戸
ストライプを形成し無秩序化する手法をとっているた
め、光導波路を形成するために、別途、成膜する必要が
ない。
【００６３】<実施の形態４>次に実施の形態４にかかる
半導体レーザ素子について説明する。当該半導体レーザ
素子の構成は、実施の形態４にかかるものと同様である
が、光閉じ込め部の形成方法が異なっている。以下に相
違点について説明する。図１０は、光閉じ込め部を含む
レーザ発光層の形成方法を示す工程図である。
【００６４】図１０（ａ）に示すように、（００１）面
に配向した高抵抗InP基板1001上に所定の膜厚（例えば
０．１５μｍ）のアンドープInGaAsエッチングストップ
層1002、絶縁物質であるＳｉＯ2層1003を順次、有機金
属気相成長方法により堆積させる。その後、ＳｉＯ2層1
003をアンドープInGaAsエッチングストップ層1002の表
面が露出する部分までエッチングにより一部を除去して
ストライプ状の溝1004を形成する。この溝1004は、例え
ば、（１１０）方向に５００μｍ、 方向に０．４μｍに設定することができる。
【００６５】次に、図１０（ｂ）に示すように、多重量
子井戸ストライプ1005を前記溝1004部分に選択的に有機
金属気相成長法により堆積させる。多重量子井戸ストラ
イプ1005は、複数対（例えば、５対）の井戸層及び障壁
層とからなる。井戸層には組成波長１．４μｍのInGaAs
Pを、障壁層には組成波長１．０５μｍのInGaAsPを用い
ることができる。そして、井戸層の膜厚は０.００６μ
ｍ、障壁層の膜厚は０.０１μｍに設定することができ
る。
【００６６】次に、図１０（ｃ）に示すように多重量子
井戸ストライプ1005の一端部側からストライプが延伸さ
れた方向に沿った所定量の一部分を覆うようにアンドー
プInGaAsエッチングストップ層1002の表面にＳiＯ2層10
06を堆積させる。次に、図１０（ｄ）に示すように、Ｓ
iＯ2層1006が堆積されていない多重量子井戸ストライプ
1005の部分1005A及びアンドープInGaAｓエッチングスト
ップ層1002の部分1002Aの表面1007から不純物イオン
（ここではＺｎ）を注入し、熱処理を施すことによっ
て、その部分の伝導型をｐ型とする。不純物イオンが注
入された多重量子井戸ストライプ部分903B及びアンドー
プInGaAｓエッチングストップ層902の部分は、量子井戸
構造が無秩序化されることで、バンドギャップエネルギ
ーがレーザ発振エネルギーよりも大きくなり、光導波路
として作用する。
【００６７】次に、図１０（ｅ）に示すように、ＳｉＯ
2層1006を除去する。次に、図１０（ｄ）に示すように
上記した図１０（ｃ）から（ｅ）に示した工程と同様に
して、多重量子井戸ストライプ1005の先ほどとはストラ
イプの延伸方向において反対側の端部側から先ほど被覆
しなかった部分のうちの一部分を覆うようにアンドープ
InGaAsエッチングストップ層の表面にＳiＯ2層を堆積さ
せ、ＳiＯ2層から露出した表面から不純物イオン（ここ
ではＳi）を注入・熱処理を施して、その部分の伝導型
をｎ型とする。Ｓiを注入した活性層の領域は、量子井
戸構造が無秩序化されることで、バンドギャップエネル
ギーがレーザ発振エネルギーよりも大きくなり、光導波
路として作用する。
【００６８】この結果、多重量子井戸ストライプ1005
は、ｐ型光導波路1008、多重量子井戸領域1009、及びｎ
型光導波路1010、複数の領域がストライプの延伸方向に
沿って配列したものとなる。次に、図１０（ｇ）に示す
ように、アンドープInP層1011をInGaAsエッチングスト
ップ層1002表面に堆積し、ｐ型光導波路1008、多重量子
井戸領域1009、及びｎ型光導波路1010を埋め込む。
【００６９】次に、図１０（ｈ）に示すように、アンド
ープInP層1011、ｐ型光導波路1008、多重量子井戸領域1
009、及びｎ型光導波路1010を、ｐ型光導波路1008、多
重量子井戸領域1009、及びｎ型光導波路1010が一本のス
トライプに含まれるように選択的にエッチングすること
によって、（１１０）方向に延びる上記した３次元フォ
トニック結晶構造体の前駆体のストライプ状InPの配列
周期と同じ所定の周期・所定の幅のストライプ1011を形
成する。ここに、ｐ型光導波路1008、多重量子井戸領域
1009、及びｎ型光導波路1010が含まれた一本のストライ
プが光閉じ込め部となる。
【００７０】このようにしてレーザ発光層が形成され
る。次に、図１０（ｉ）に示すように、先に作製した図
４（ｅ）に示す３次元フォトニック結晶構造体の前駆体
1012を、図１０（ｈ）に示す構造とストライプが互いに
直交（90度）の関係となるように、ストライプどうしを
接触させ、これを加熱することにより密着させる。この
時、ストライプ1011は、一層隔てて位置するストライプ
1012とが平行関係にあり、かつ、ストライプの周期の位
相が１８０度ずれるように位置合わせして両者を密着さ
せる。
【００７１】次に、図６及び図７に示した工程と同じ工
程を経ることにより本実施の形態にかかる半導体レーザ
素子が完成する。以上の製法によれば、実施の形態２及
び３における効果双方を奏する。即ち、活性層を形成す
るためのエッチング工程及び光導波路を形成するために
結晶を再成長させる工程を省くことが可能となる。
【００７２】以上本発明の実施の形態について具体的に
説明してきたが、本発明は上記内容に限定されないのは
言うまでもなく、以下のような変形例も考えられる。ま
ず、上記実施の形態では、ｐ型光導波路305及びｎ型光
導波路306の形成には、InGaAsPを用いた場合について説
明したが、バンドギャップエネルギーが活性部（多重量
子井戸型の場合には、井戸層）のバンドギャップエネル
ギー以上になるものであれば何れの材料で形成しても構
わない。
【００７３】次に、上記実施の形態では、活性部の組成
波長つまり、半導体レーザ素子の発振波長は、１．３μ
ｍ帯であったが、１．５５μｍ帯及びそれ以外としても
構わない。また、結晶の配向面とストライプ状InPの延
伸方向とは上記のようにそれぞれ（００１）方向及び
（１１０）方向としなくてもよいが、このように規定す
ることが望ましい。
【００７４】次に、上記実施の形態では、ｐ型光導波路
305及びｎ型光導波路306は、光導波路及びキャリア伝導
路を兼用したものであったが、光導波路及びキャリア伝
導路とを別個に設けることもできる。次に、上記実施の
形態では、発振波長は単一であったが、複数の発振波長
を持たせることもできる。例えば、３次元フォトニック
結晶構造体のストライプ状InPの配列周期を所定区分ご
とに増減させたものとし、その各区分内に上記した方法
によって組成波長の異なる活性層を備えた光閉じ込め部
を挿設させることにより実現できる。
【００７５】次に、上記実施の形態では、３次元フォト
ニック結晶構造体は、ストライプ状InPと空気層とで光
の屈折率が周期的に異なるものに形成されていたが、光
の屈折率が異なる物質をストライプ状に加工してこれら
を周期的に配列させることによっても形成することがで
きる。
【００７６】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の半導
体レーザ素子は、第一の方向に沿って周期的に光の屈折
率の大きさが変化する第一の屈折率変化層と、前記第一
の方向と異なる方向の第二の方向に沿って周期的に光の
屈折率の大きさが変化する第二の屈折率変化層とが交互
に積層されて、光閉じ込め効果を有する３次元フォトニ
ック結晶構造体が構成されるとともに、当該３次元フォ
トニック結晶構造体の中央部で、所定の屈折率を有する
部分に、給電によりレーザ光を発生する活性部が挿設さ
れていることを特徴とする。
【００７７】これにより、３次元フォトニック結晶構造
体の光閉じ込め作用を利用できるので、活性部で発生し
た光の閉じ込め効果に優れ、低閾値電流特性の半導体レ
ーザ素子が実現される。しかも、３次元フォトニック結
晶構造体に上記のような単純な積層体を用いるのではな
く、第一の方向に沿って周期的に光の屈折率が変化する
第一の屈折率変化層と、前記第一の方向と異なる方向の
第二の方向に沿って周期的に光の屈折率が変化する第二
の屈折率変化層とが交互に積層されてなるものを用いる
ので、積層するプロセスにおいて活性部を形成すること
が可能となるため、３次元フォトニック結晶構造体を適
用した半導体レーザ素子を実現することができる。
【００７８】また、本発明の半導体レーザ素子の製造方
法は、複数の光学的屈折柱状体と給電によりレーザ光を
発生させる活性部を含むレーザ発光柱状体とを規則的に
配置する工程を含むことを特徴とする。これによれば、
３次元フォトニック結晶構造体を構成する各要素を積層
するプロセスにおいて活性部を形成することが可能とな
るため、３次元フォトニック結晶構造体を適用した半導
体レーザ素子を実現することができる。この結果、３次
元フォトニック結晶構造体の光閉じ込め作用を利用でき
るので、活性部で発生した光の閉じ込め効果に優れ、低
閾値電流特性の半導体レーザ素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ素
子の構成を示す図である。（ａ）は、斜視図であり、
（ｂ）は、Ａ−Ａ’線を含む垂直断面図である。
【図２】３次元フォトニック結晶構造体の構造を説明す
るための図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ともにスト
ライプ状InPの位置関係を示す図である。
【図３】前記半導体レーザ素子の透視図であり、光閉じ
込め部の構成を示す図である。
【図４】３次元フォトニック結晶構造体の作製方法の工
程の一部を示す図であり、（ａ）〜（ｆ）の順に進行す
る。
【図５】光閉じ込め部を含むレーザ発光層の作製方法の
工程を示す図であり、（ａ）〜（ｉ）の順に進行する。
【図６】図４及び図５に示した工程を経て作製された構
造物を接合させて３次元フォトニック結晶構造体を完成
させる工程示す図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に進行す
る。
【図７】半導体レーザ素子を完成させる最終段階の工程
を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に進行する。
【図８】実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の光閉
じ込め部を含むレーザ発光層の作製方法を示す図であ
り、（ａ）〜（ｉ）の順に進行する。
【図９】実施の形態３にかかる半導体レーザ素子の光閉
じ込め部を含むレーザ発光層の作製方法を示す図であ
り、（ａ）〜（ｉ）の順に進行する。
【図１０】実施の形態４にかかる半導体レーザ素子の光
閉じ込め部を含むレーザ発光層の作製方法を示す図であ
り、（ａ）〜（ｉ）の順に進行する。
【図１１】従来例にかかる３次元フォトニック結晶構造
体に構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ素子 101 高抵抗InP基板 102 アンドープInGaAsエッチングストップ層 103 ３次元フォトニック結晶構造体 103A ストライプ状InP 103B 屈折率変化層 103C 上部構造体 103D 下部構造体 103E レーザ発光層 104 InGaAsコンタクト層 105 ｐ型電極 106 ｎ型電極 107 活性層を含む高抵抗領域 108 ｐ型光導波路を含むｐ型伝導領域 109 ｎ型光導波路を含むｎ型伝導領域 110 ｐ型InGaAsコンタクト層 111 ｎ型InGaAsコンタクト層 201 基板 202 １層目のストライプ状InP 203 ２層目のストライプ状InP 204 ３層目のストライプ状InP 205 ４層目のストライプ状InP 301 基板 302 ５層目のストライプ状InP 303 光閉じ込め部 304 活性層 305 ｐ型光導波路 306 ｎ型光導波路 401 （００１）面配向の高抵抗InP基板 401B 構造体Ｂの高抵抗InP基板 401D 構造体Ｄの高抵抗InP基板 402 アンドープInGaAsエッチングストップ層 402B 構造体ＢのアンドープInGaAsエッチングストップ
層 402D 構造体ＤのアンドープInGaAsエッチングストップ
層 403 アンドープInP層 404 ストライプ状InP層 404A 構造体Ａのストライプ状InP層 404B 構造体Ｂのストライプ状InP層 404C 構造体Ｃの基板に近いストライプ状InP層 404D 構造体Ｄの基板に近いストライプ状InP層 501 （００１）面配向の高抵抗InP基板 502 アンドープInGaAsエッチングストップ層 503 InGaAsP層 503A InGaAsP領域 504 アンドープInP層 505 ＳiＯ2層 506 溝 507 InGaAsP層 508 InGaAsP層 509 ストライプ 509A InGaAsP領域503A、InGaAsP層507、及びInGaAsP層5
08が含まれたストライプ 510 ３次元フォトニック結晶構造体の前駆体 511 フォトニック結晶構造前駆体の基板から３番目の
ストライプ 512 ３次元フォトニック結晶構造体の前駆体 513 フォトニック結晶構造前駆体の基板から３番目の
ストライプ 514 高抵抗InP基板 515 アンドープInGaAsエッチングストップ層 516 ＳiＯ2層 517 アンドープInGaAs層エッチングストップ515が露出
した部分 518 アンドープInGaAsエッチングストップ層が露出し
た部分 519 ｐ型電極 520 ｎ型電極 801 （００１）面配向の高抵抗InP基板 802 アンドープInGaAsエッチングストップ層 803 ＳiＯ2層 804 凹部 805 InGaAsP領域 806 アンドープInP層 806A 溝 807 ＳiＯ2層 807A 溝 808 InGaAsP層 809 InGaAsP層 810 ストライプ 811 ３次元フォトニック結晶構造前駆体 812 ３次元フォトニック結晶構造前駆体の基板から３
番目のストライプ 901 （００１）面配向の高抵抗InP基板 902 アンドープInGaAsエッチングストップ層 902A ＳiＯ2層904が堆積されていないアンドープInGaA
ｓエッチングストップ層902の部分 903 多重量子井戸層 903A 多重量子井戸ストライプ 903B ＳiＯ2層904が堆積されていない多重量子井戸スト
ライプ903Aの部分 904 ＳiＯ2層 905 902B及び903Bの表面 906 ｐ型光導波路 907 多重量子井戸領域 908 ｎ型光導波路 909 アンドープInP層 910 ストライプ 911 ３次元フォトニック結晶構造前駆体 912 ３次元フォトニック結晶構造前駆体の基板から３
番目のストライプ 1001 （００１）面配向の高抵抗InP基板 1002 アンドープInGaAsエッチングストップ層 1002A ＳiＯ2層1006が堆積されていないアンドープInGa
Aｓエッチングストップ層1002の部分 1003 ＳｉＯ2層 1004 溝 1005 多重量子井戸ストライプ 1006 ＳiＯ2層 1005A ＳiＯ2層1006が堆積されていない多重量子井戸ス
トライプ1005の部分 1007 1002A及び1005Aの表面 1008 ｐ型光導波路 1009 多重量子井戸領域 1010 ｎ型光導波路 1011 ストライプ 1012 ３次元フォトニック結晶構造前駆体 1013 ３次元フォトニック結晶構造前駆体の基板から３
番目のストライプ 1101 材料A 1102 材料B

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第一の方向に沿って周期的に光の屈折率
    の大きさが変化する第一の屈折率変化層と、前記第一の
    方向と異なる方向の第二の方向に沿って周期的に光の屈
    折率の大きさが変化する第二の屈折率変化層とが交互に
    積層されて、光閉じ込め効果を有する３次元フォトニッ
    ク結晶構造体が構成されるとともに、 当該３次元フォトニック結晶構造体の中央部で、所定の
    大きさの屈折率を有する部分に、給電によりレーザ光を
    発生する活性部が挿設されていることを特徴とする半導
    体レーザ素子。
  2. 【請求項２】 前記第一の屈折率変化層は、第一の方向
    に沿って複数の光学的屈折柱状体が空間をおいて所定ピ
    ッチで平行に配されてなり、 又、 第二の屈折率変化層は、複数の光学的屈折柱状体が第二
    の方向に沿って空間をおいて所定ピッチで平行に配され
    てなり、 更に、 前記第一の屈折率変化層及び第二の屈折率変化層の何れ
    かにおいて、一の光学的屈折柱状体が配置される位置
    に、当該柱状体に替えて活性部を含むレーザ発光柱状体
    が配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導
    体レーザ素子。
  3. 【請求項３】 前記活性部は、前記レーザ発光柱状体の
    長手方向に沿った中央部に形成されており、当該レーザ
    発光柱状体において活性部端縁からレーザ発光柱状体の
    両端部にいたる部分はキャリア伝導路を兼用するｐ型光
    導波路及びｎ型光導波路が形成されていることを特徴と
    する請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 【請求項４】 前記３次元フォトニック結晶構造体は、
    前記柱状体のｐ型光導波路、ｎ型光導波路と位置が整合
    する状態で、ｐ型キャリア伝導路、ｎ型キャリア伝導路
    が形成され、 前記ｐ型キャリア伝導路に位置を整合させてｐ型コンタ
    クト層及びｐ型電極が、前記ｎ型キャリア伝導路に位置
    を整合させてｎ型コンタクト層及びｎ型電極が形成され
    ていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ
    素子。
  5. 【請求項５】 請求項１の記載の半導体レーザ素子の製
    造方法であって、 複数の光学的屈折柱状体と給電によりレーザ光を発生さ
    せる活性部を含むレーザ発光柱状体とを規則的に配置す
    る工程を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造
    方法。
  6. 【請求項６】 前記複数の光学的屈折柱状体とレーザ発
    光柱状体とを配置する前記工程は、前記光学的屈折柱状
    体複数を並列状に配置することにより、一の方向に周期
    的に光の屈折率が変化する屈折率変化層を作製する第一
    のサブ工程と、 給電によりレーザ光を発生する活性部を含むレーザ発光
    柱状体と前記光学的屈折柱状体複数を並列状に配置する
    ことにより、光学的屈折柱状体の間に前記レーザ発光柱
    状体が位置する状態で配置しレーザ発光層を作製する第
    二のサブ工程と、 前記屈折率変化層とレーザ発光層とを積層する第三のサ
    ブ工程と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の半
    導体レーザ素子の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記第一のサブ工程は、複数の光学的屈
    折柱状体を平行に等ピッチで配置することにより光学的
    屈折柱状体とその間の柱状空気層とで屈折率が周期的に
    変化する屈折率変化層を作製し、 第二のサブ工程は、複数の光学的屈折柱状体を平行に屈
    折率変化層と同じピッチで配列し、中央部分に光学的屈
    折柱状体に変えてレーザ発光柱状体が位置する状態のレ
    ーザ発光層を作製することを特徴とする請求項６に記載
    の半導体レーザ素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記第二のサブ工程は、所定の基板表面
    にエッチングストップ層を形成する第一のステップと、
    当該エッチングストップ層表面に活性部に近い形状の活
    性部領域を形成する第二のステップと、前記エッチング
    ストップ層表面にｐ型光導波路及びｎ型光導波路の形状
    に近い形状となるように活性部領域に隣接させてｐ型光
    導波路領域及びｎ型光導波路領域を形成する第三のステ
    ップと、活性部領域、ｐ型光導波路領域及びｎ型光導波
    路領域の周囲に前記光学的屈折柱状体を構成する物質を
    膜状に配置する第四のステップと、前記屈折率変化層と
    同じ配置周期となるように前記活性部領域、ｐ型光導波
    路領域、ｎ型光導波路領域及び光学的屈折柱状体の構成
    物質の膜をパターニングすることによってレーザ発光層
    を作製する第五のステップと、を含み、 又、 前記第三のサブ工程は、屈折率変化層とレーザ発光層を
    積層したのち前記基板及びエッチングストップ層を除去
    するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の
    半導体レーザ素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記第二のステップは、前記エッチング
    ストップ層表面に活性部を構成する物質を成膜する第一
    のサブステップと、当該膜をパターニングすることによ
    って活性部領域を形成する第二のサブステップと、を含
    む、 ことを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子の
    製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記第二のステップは、前記エッチン
    グストップ層表面に絶縁物質を成膜する第一のサブステ
    ップと、前記絶縁物質の膜に凹部を形成する第二のサブ
    ステップと、前記凹部に有機金属気相成長法によって活
    性部領域を形成する第三のサブステップと、当該活性部
    領域を形成した後前記絶縁物質の膜を除去する第四のサ
    ブステップと、を含むことを特徴とする請求項８に記載
    の半導体レーザ素子の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記活性部は、量子井戸型であって、 前記第二のサブ工程は、所定の基板表面にエッチングス
    トップ層を形成する第一のステップと、当該エッチング
    ストップ層表面に、活性部、ｐ型光導波路及びｎ型光導
    波路を含めた大きさ近くの、活性部を構成する物質の帯
    状体を形成する第二のステップと、当該帯状体の端部か
    ら中央付近を残して不純物を導入して導入した部分をｐ
    型光導波路領域及びｎ型光導波路領域とすることにより
    不純物を導入しない部分を活性部領域とする第三のステ
    ップと、活性部領域、ｐ型光導波路領域及びｎ型光導波
    路領域の周囲に前記光学的屈折柱状体を構成する物質を
    成膜する第四のステップと、前記屈折率変化層と同じ配
    置周期となるように前記活性部領域、ｐ型光導波路、ｎ
    型光導波路及び光学的屈折柱状体の構成物質の膜をパタ
    ーニングすることによってレーザ発光層を作製する第五
    のステップと、を含み、 又、 前記第三のサブ工程は、屈折率変化層とレーザ発光層を
    積層したのち前記基板及びエッチングストップ層を除去
    するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の
    半導体レーザ素子の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記第二のステップは、活性部を構成
    する物質を前記エッチングストップ層表面に成膜する第
    一のサブステップと、当該膜をパターニングすることに
    よって、前記帯状体を形成する第二のサブステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体レー
    ザ素子の製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記第二のステップは、前記エッチン
    グストップ層表面に絶縁物質を成膜する第一のサブステ
    ップと、前記絶縁物質の膜にストライプ状の溝を形成す
    る第二のサブステップと、前記溝に有機金属気相成長法
    によって活性部領域を形成する第三のサブステップと、
    当該活性部領域を形成した後前記絶縁物質の膜を除去す
    る第四のサブステップと、を含むことを特徴とする請求
    項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記屈折率変化層及びレーザ発光層を
    積層して３次元フォトニック結晶構造を作製した後、ｐ
    型光導波路及びｎ型光導波路と位置を整合させるよう
    に、ｐ型キャリア伝導路及びｎ型キャリア伝導路を形成
    する第二の工程を含むことを特徴とする請求項８から１
    ３の何れかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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