JP2003273453A - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クラッド層を融着又は再成長させるプロセス
が不要で、安価に製造できる２次元フォトニック結晶面
発光レーザ及びその製造方法を得る。 【解決手段】 基板１１上に下部クラッド層１２、キャ
リアの注入により発光する活性層１３、上部クラッド層
１４を積層し、上部クラッド層１４及び／又はに２次元
的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体
２１を備えた２次元フォトニック結晶面発光レーザ。基
板１１の下面には下部電極１６、上部クラッド層１４の
上面中央部には上部電極１７が設けられている。活性層
１３で発光した光はフォトニック結晶周期構造体２１に
より共振して上部クラッド層１４の上面から面発光す
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、２次元フォトニッ
ク結晶面発光レーザ及びその製造方法、特に、キャリア
の注入により発光する活性層又はその近傍に、２次元的
に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を
備え、フォトニック結晶により共振して面発光する２次
元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、基板面から垂直方向にレーザ光を
出射する面発光レーザが種々開発、研究されている。面
発光レーザは同一基板上に多数の素子を集積（アレイ
化）でき、各素子からコヒーレントな光が並列的に出射
されるため、並列光ピックアップ、並列光伝送、光並列
情報処理の分野での用途が期待されている。

【０００３】この種の面発光レーザとして、フォトニッ
ク結晶を利用した２次元フォトニック結晶面発光レーザ
が特開２０００−３３２３５１号公報に開示されてい
る。フォトニック結晶とは、光の波長と同程度もしくは
より小さい屈折率周期を有する結晶であり、誘電体の多
次元周期構造体では半導体の結晶中で電子状態にバンド
ギャップが生じることと同様の原理により、光の導波を
抑制する波長帯（フォトニックバンドギャップ）が生
じ、光を２次元又は３次元に閉じこめることが可能であ
る。

【０００４】前記公報記載の２次元フォトニック結晶面
発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の
近傍に、２次元的に屈折率周期を配置したフォトニック
結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振し
て面発光するものである。

【０００５】具体的には、図７に示すように、この２次
元フォトニック結晶面発光レーザ１０は、概略、基板１
１上に下部クラッド層１２、活性層１３、上部クラッド
層１４が積層され、下部クラッド層１２には活性層１３
の近傍に２次元フォトニック結晶２０が内蔵されてい
る。

【０００６】基板１１は、例えば、ｎ型ＩｎＰの半導体
材料からなる。下部クラッド層１２及び上部クラッド層
１４は、例えば、それぞれｎ型及びｐ型ＩｎＰの半導体
層であり、活性層１３よりも屈折率が低い。２次元フォ
トニック結晶２０は、下部クラッド層１２に形成した空
孔（フォトニック結晶周期構造体２１）にて構成され、
下部クラッド層１２とは屈折率の異なる媒質が２次元の
周期で配列された正方格子や三角格子からなっている。
空孔内にはＳｉＮ等を充填してもよい。活性層１３は、
例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料
を用いた多重量子井戸構造からなっており、キャリアの
注入により発光する。

【０００７】下部クラッド層１２及び上部クラッド層１
４により活性層１３を挟んでダブルヘテロ接合を形成
し、キャリアを閉じこめて発光に寄与するキャリアを活
性層１３に集中させるようになっている。

【０００８】基板１１の底面及び上部クラッド層１４の
上面には金等からなる下部電極１６及び上部電極１７が
形成されている。電極１６，１７間に電圧を印加するこ
とにより活性層１３が発光し、該活性層１３から漏れた
光が２次元フォトニック結晶２０に入射する。２次元フ
ォトニック結晶２０の格子間隔に波長が一致する光は、
２次元フォトニック結晶２０により共振して増幅され
る。これにより、上部クラッド層１４の上面（電極１７
の周囲に位置する発光領域１８）からコヒーレントな光
が面発光される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記２次元
フォトニック結晶面発光レーザでは、２次元フォトニッ
ク結晶２０が下部クラッド層１２内に形成されているた
め、図８に示すように、基板１１上にクラッド層１２ａ
を積層してフォトニック結晶周期構造体２１を形成した
下部セグメントと、クラッド層１２ｂと活性層１３と上
部クラッド層１４とを積層した上部セグメントとを融着
（クラッド層１２ａ，１２ｂの融着）する必要があり、
製造コストを上昇させることになる。

【００１０】また、クラッド層１２ａにフォトニック結
晶周期構造体２１を形成した後、クラッド層１２ｂを再
成長させる工程を導入することも考えられるが、同様に
製造コストの上昇を招来することになる。

【００１１】そこで、本発明の目的は、クラッド層を融
着又は再成長させるプロセスが不要で、安価に製造でき
る２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方
法を提供することにある。

【００１２】

【発明の構成、作用及び効果】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ
は、基板と、前記基板上に積層された下部クラッド層
と、前記下部クラッド層上に積層されたキャリアの注入
により発光する活性層と、前記活性層上に積層された上
部クラッド層と、前記上部クラッド層及び／又は前記活
性層に２次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結
晶周期構造体と、を備えたことを特徴とする。

【００１３】また、本発明に係る２次元フォトニック結
晶面発光レーザの製造方法は、基板上に下部クラッド層
を積層し、該下部クラッド層上にキャリアの注入により
発光する活性層を積層し、該活性層上に上部クラッド層
を積層する工程と、前記上部クラッド層及び／又は前記
活性層に２次元的に屈折率周期を配置したフォトニック
結晶周期構造体を設ける工程と、前記基板の下面に下部
電極を設け、前記上部クラッド層の上面に上部電極を設
ける工程と、を備えたことを特徴とする。

【００１４】本発明においては、フォトニック結晶周期
構造体が上部クラッド層及び／又は活性層に設けられる
ため、基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッ
ド層を順次積層する工程において、上部クラッド層及び
／又は活性層にフォトニック結晶周期構造体を形成すれ
ばよく、下部クラッド層を２層に分けて融着したり、再
成長させるプロセスが不要であり、製造コストを抑える
ことができる。

【００１５】本発明に係る面発光レーザ及びその製造方
法において、フォトニック結晶周期構造体は上部クラッ
ド層又は活性層のいずれかに形成するのみならず、上部
クラッド層を貫通して活性層に及ぶように形成してもよ
い。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る２次元フォト
ニック結晶面発光レーザ及びその製造方法の実施形態に
ついて、添付図面を参照して説明する。

【００１７】（第１実施形態、図１、図２参照）本発明
に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第１実施
形態は、図１にその中央断面が示されているように、図
７に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と
基本的構成を同じくし、同様の共振作用によって面発光
する。従って、図１において図７と同じ部材には同じ符
号を付した。

【００１８】即ち、この２次元フォトニック結晶面発光
レーザ１０は、基板１１上に下部クラッド層１２、活性
層１３、上部クラッド層１４が積層され、上部クラッド
層１４にフォトニック結晶周期構造体２１が設けられ、
さらに、基板１１の下面に下部電極１６が形成され、上
部クラッド層１４の中央部に上部電極１７が形成されて
いる。

【００１９】ここで、図２を参照してその製造プロセス
について説明する。まず、図２（Ａ）に示すように、基
板１１上に下部クラッド層１２、活性層１３及び上部ク
ラッド層１４を順次積層する。基板１１は、例えば、ｎ
型ＩｎＰの半導体材料からなり、下部クラッド層１２及
び上部クラッド層１４は、例えば、それぞれｎ型及びｐ
型ＩｎＰの半導体層であり、活性層１３よりも屈折率が
低い材料が使用される。活性層１３は、例えば、ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いた多重量
子井戸構造からなっており、キャリアの注入により発光
する。これらの積層プロセスは通常の半導体成膜技術が
用いられる。

【００２０】次に、図２（Ｂ）に示すように、上部クラ
ッド層１４の上面をフォトリソグラフィ法でエッチング
加工し、発光領域となる平面１４ａと電極形成用の円形
凸部１４ｂを形成する。

【００２１】さらに、図２（Ｃ）に示すように、発光領
域平面１４ａ上にフォトニック結晶周期構造体２１を、
例えば、電子ビームリソグラフィ法にてパターニング
し、２次元フォトニック結晶２０を形成する。２次元フ
ォトニック結晶２０は、上部クラッド層１４に形成した
空孔（フォトニック結晶周期構造体２１）にて構成さ
れ、上部クラッド層１４とは屈折率の異なる媒質が２次
元の周期で配列された正方格子や三角格子からなってい
る。空孔内にはＳｉＮ等を充填してもよい。

【００２２】次に、図２（Ｄ）に示すように、基板１１
の下面に下部電極１６を形成し、上部クラッド層１４の
凸部１４ｂ上に上部電極１７を形成する。電極１６，１
７は、例えば、金からなる。

【００２３】以上の製造プロセスによれば、２次元のフ
ォトニック結晶周期構造体２１を上部クラッド層１４に
形成するため、従来の如く下部クラッド層１２を融着し
たり、再成長させるプロセスが不要となり、製造コスト
の低減を図ることが可能になる。

【００２４】なお、フォトニック結晶周期構造体２１は
発光領域平面１４ａに形成され、上部電極１７の垂直下
には設けられていない。この点は以下に説明する第２実
施形態においても同様である。

【００２５】（第２実施形態、図３、図４参照）本発明
に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第２実施
形態は、図３にその中央断面が示されているように、上
部クラッド層１４の中央部分に発光領域平面１４ａを設
け、その周囲に電極形成用の凸部１４ｂを設けたもの
で、フォトニック結晶周期構造体２１は、中央部分の発
光領域平面１４ａ上に形成されている。

【００２６】この第２実施形態における他の構成は前記
第１実施形態と同様であり、図２に示した第１実施形態
と同様のプロセスで製造される。従って、図３、図４に
おいて図１と同じ部材には同じ符号を付し、重複する説
明は省略する。

【００２７】この第２実施形態の平面形状は種々のもの
が存在する。例えば、図４（Ａ）に示すように、発光領
域平面１４ａが上部クラッド層の中央部に円形に形成さ
れ、上部電極１７がその周囲を取り囲むように形成され
ているもの。図４（Ｂ）に示すように、発光領域平面１
４ａが上部クラッド層の中央部に四角形に形成され、上
部電極１７がその周囲を取り囲むように形成されている
もの。

【００２８】あるいは、図４（Ｃ）に示すように、発光
領域平面１４ａが上部クラッド層の中央部に溝状に形成
され、上部電極１７がその両側に形成されている構成を
採用することができる。図４（Ｄ）に示すように、上部
電極１７が一側にのみ形成されているものであってもよ
い。

【００２９】あるいは、図４（Ｅ）に示すように、上部
クラッド層が平面的に円形をなし、中央部に円形の発光
領域平面１４ａを形成し、上部電極１７をその周囲に形
成したものであってもよい。

【００３０】（第３実施形態、図５参照）図５に示す第
３実施形態である２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１０は、フォトニック結晶周期構造体２１を上部クラッ
ド層１４を貫通して活性層１３に及ぶように形成したも
のである。他の構成は前記第１実施形態と同様であり、
重複する説明は省略する。

【００３１】（第４実施形態、図６参照）図６に示す第
４実施形態である２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１０は、フォトニック結晶周期構造体２１を活性層１３
に形成したものである。他の構成は前記第１実施形態と
同様であり、重複する説明は省略する。

【００３２】（他の実施形態）なお、本発明に係る２次
元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法は前
記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内
で種々に変更することができる。

【００３３】特に、半導体層、フォトニック結晶、電極
の材料や、光の偏光を揃えるための構造、格子形状等は
任意である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である２次元フォトニッ
ク結晶面発光レーザを示す断面図。

【図２】図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レ
ーザの製造工程を示す断面図。

【図３】本発明の第２実施形態である２次元フォトニッ
ク結晶面発光レーザを示す断面図。

【図４】図３に示した２次元フォトニック結晶面発光レ
ーザの平面図。

【図５】本発明の第３実施形態である２次元フォトニッ
ク結晶面発光レーザを示す断面図。

【図６】本発明の第４実施形態である２次元フォトニッ
ク結晶面発光レーザを示す斜視図。

【図７】本発明に先行する２次元フォトニック結晶面発
光レーザを示す斜視図。

【図８】図７に示した２次元フォトニック結晶面発光レ
ーザの断面図。

【符号の説明】

１０…２次元フォトニック結晶面発光レーザ １１…基板 １２…下部クラッド層 １３…活性層 １４…上部クラッド層 １６…下部電極 １７…上部電極 ２０…２次元フォトニック結晶 ２１…フォトニック結晶周期構造体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横山 光 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 関根 孝二郎 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA65 AB17 BA02 BA04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板上に積層された下部クラッド層と、 前記下部クラッド層上に積層されたキャリアの注入によ
   り発光する活性層と、 前記活性層上に積層された上部クラッド層と、 前記上部クラッド層及び／又は前記活性層に２次元的に
   屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体と、 を備えたことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発
   光レーザ。
2. 【請求項２】 前記クラッド層に形成された上部電極の
   垂直下には前記フォトニック結晶周期構造体が設けられ
   ていないことを特徴とする請求項１記載の２次元フォト
   ニック結晶面発光レーザ。
3. 【請求項３】 基板上に下部クラッド層を積層し、該下
   部クラッド層上にキャリアの注入により発光する活性層
   を積層し、該活性層上に上部クラッド層を積層する工程
   と、 前記上部クラッド層及び／又は前記活性層に２次元的に
   屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を設
   ける工程と、 前記基板の下面に下部電極を設け、前記上部クラッド層
   の上面に上部電極を設ける工程と、 を備えたことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発
   光レーザの製造方法。