JP2006156944A - フォトニック結晶レーザ、フォトニック結晶レーザの製造方法、面発光レーザアレイ、光伝送システム、及び書き込みシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 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フォトニック結晶レーザ、フォトニック結晶レーザの製造方法、面発光レーザアレイ、光伝送システム、及び書き込みシステムを提供する。
【解決手段】 半導体層に低屈折率孔を設けて形成される２次元フォトニック結晶構造の近傍に設けられた高抵抗領域領域と導電性領域からなる電流経路制限層により、キャリアの大部分は低屈折率孔から離れた場所を通るため、２次元フォトニック結晶構造を通過するキャリアのうち低屈折率孔の側壁に達する割合は小さくなり、低屈折率孔の側壁におけるキャリアの非発光再結合を減少させる。非発光再結合を防止することにより、電流の漏洩を抑制し、かつ低しきい値電流でレーザ光を発振することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトニック結晶レーザ、フォトニック結晶レーザの製造方法、面発光レーザアレイ、光伝送システム、及び書き込みシステムに関し、特に、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フォトニック結晶レーザ、フォトニック結晶レーザの製造方法、面発光レーザアレイ、光伝送システム、及び書き込みシステムに関する。

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できるため、チップ間、チップ内、ボード間、ボード内、及びネットワーク内の光伝送用の光源、極微小光回路、光集積回路、光電融合集積回路の光源としての応用が期待されている。

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レーザについて以下に説明する。

フォトニック結晶とは、光の波長と同程度又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を生じる原理により、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次元的又は３次元的に閉じ込めることが可能である。

特許文献１では、２次元回折格子を活性層において発生されるべき光の波長を規定するように設けることにより、活性層において発生した光を２次元回折格子によって２次元的に結合して光放出面から放出し、面発光する半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法が提案されている。

特許文献２では、フォトニック結晶周期構造体を上部クラッド層及び／又は活性層に設けることにより、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、再成長させるプロセスが不要で、かつ製造コストを抑えることができる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が提案されている。

特許文献３では、屈折率が異なる物質を周期的に格子状に配列したフォトニック結晶の、屈折率の低い方の物質からなる格子点の一部を取り除くことにより格子欠陥を作り、該格子欠陥の位置にレーザの利得媒質を配置することにより、低しきい値電流を得ることができるフォトニック結晶レーザが提案されている。

上述のフォトニック結晶を用いた発光素子は、回折型２次元フォトニック結晶レーザと微小共振器型２次元フォトニック結晶レーザの２つに分類することができる。

回折型２次元フォトニック結晶レーザは、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、及び非特許文献２に記載された２次元フォトニック結晶レーザであり、広い面積に電流を注入し、広い領域の活性層で発生した光を、近接するフォトニック結晶で回折、帰還、増幅し、レーザ発振させるレーザである。基板（InP）上に作製した活性層（InGaAsP）を持つ素子で発振が確認された。また、基板（GaAs）に作製した活性層（InGaAs）を持つ素子から室温で連続発振した例が報告されたが、更なる低しきい値電流によるレーザ発振が必要とされている。

微小共振器型２次元フォトニック結晶レーザは、特許文献３、特許文献４、非特許文献４、及び非特許文献５に記載された２次元フォトニック結晶レーザであり、格子欠陥をもつ２次元フォトニック結晶を備え、欠陥部に光を強く閉じ込め、点状にレーザ発振できる。微小共振器型２次元フォトニック結晶レーザによれば、低しきい値電流、さらには０しきい値電流によるレーザ発振が期待できる。なお、欠陥を持つフォトニック結晶レーザから室温でパルス発振した例が報告されているが、低しきい値電流による連続発振が必要とされている。なお、非特許文献４は、光励起による２次元フォトニック結晶レーザからのレーザ光の発振が提案されているが、キャリアの注入によるレーザ光の発振については記載されていない。
特開２０００−３３２３５１号公報 特開２００３−２７３４５３号公報 特開２００２−３１４１９４号公報 特開平９−２３２６６９号公報 Applied Physics Letters, Vol.75, pp.316-318 （1999） Electronics Letters, Vol.39, pp.612-613 （2003） 第５１回応用物理学会関係連合講演会 講演予稿集,p.1160 （2004） Science, Vol.284, pp.1819-1821 （1999） Electronics Letters, Vol.36, pp.1541-1542 （2000）

上記のフォトニック結晶レーザは、以下の問題を有している。

活性層近傍にエッチング等により加工された屈折率の周期構造を有するため、周期構造の界面（例えばGaAsと空孔の界面）において局在準位が形成され、該局在準位によりキャリアの非発光再結合が多発する。このため十分に低いしきい値電流でのレーザ発振が実現されていなかった。

また、周期構造の界面においてキャリアの非発光再結合が著しいため、限られた材料でしかレーザ発振が実現されていなかった。これらの例は前述のように、基板（InP）上に作製される活性層にInGaAsPをもつものと、基板（GaAs）上に作製される活性層にInGaAsをもつものだけである。

そこで、本発明は、屈折率の周期構造の界面において発生する非発光再結合を低減させることにより、電流の漏洩を抑制し、低しきい値電流によるレーザ発振が可能なフォトニック結晶レーザ、フォトニック結晶レーザの製造方法、面発光レーザアレイ、光伝送システム、及び書き込みシステムを提案することを目的としている。

また、本発明は、基板（GaAs）上にAlGaAs、GaInP、GaInNAs、AlGaInP、GaInAsPなどからなる活性層を積層することにより、広い波長帯のフォトニック結晶レーザ、フォトニック結晶レーザの製造方法、面発光レーザアレイ、光伝送システム、及び書き込みシステムを提案することを目的としている。

請求項１記載の発明は、上部電極と、下部電極と、前記下部電極上に積層された基板と、前記基板上に積層された第１の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体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第２の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体層又は前記第２の導電型半導体層に屈折率が低い低屈折率領域を周期的に格子状に配列したフォトニック結晶構造とを有するフォトニック結晶レーザにおいて、前記フォトニック結晶構造と前記上部電極又は前記下部電極との間に前記発光層へキャリアを注入する経路を制限する電流経路制限層と、前記電流経路制限層は、高抵抗領域と導電性領域とを有し、前記電流経路制限層は、前記フォトニック結晶構造と当接し、前記各層に平行な前記低屈折領域の断面が前記各層に平行な前記高抵抗領域の断面内に配置されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記第１の導電型半導体層は、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下部ガイド層と、前記第２の導電型半導体層は、前記活性層上に積層された上部ガイド層と、前記上部ガイド層上に積層された上部クラッド層とを有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記下部クラッド層の屈折率が前記下部ガイド層の屈折率より小さく、かつ前記上部クラッド層の屈折率が前記上部ガイド層の屈折率より小さいことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記下部クラッド層のバンドギャップは、前記下部ガイド層のバンドギャップより大きく、前記上部クラッド層のバンドギャップは、前記上部ガイド層のバンドギャップより大きく、前記下部ガイド層及び前記上部ガイド層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記基板と前記第１の導電型半導体層との間、及び前記第２の導電型半導体層と前記上部電極との間の少なくともいずれか一方に分布多層膜反射鏡を有することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記低屈折率領域からなる格子点の一部を取り除くことにより一つ以上の格子欠陥を作り、前記格子欠陥を光共振器とすることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記導電性領域が前記格子欠陥と当接することを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記基板がGaAsであることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項８記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記導電性領域がAl_xGa_1-xAs（０＜ｘ≦１）からなり、前記高抵抗領域がAl_xGa_1-xAsの酸化物からなることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項８又は９記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記活性層がGaInNAs系材料を有することを特徴とする。

請求項１１記載のフォトニック結晶レーザの製造方法は、第１の導電型半導体層、活性層、及び第２の導電型半導体層を第１の基板上に順次形成する工程と、第２の基板に第３の導電型半導体層を形成する工程と、前記第２の導電型半導体層又は前記第３の導電型半導体層に２次元フォトニック結晶構造と電流経路制限層とを形成する工程と、前記第２の導電型半導体層の表面と前記第３の導電型半導体層の表面とを接合する工程とを有することを特徴とする。

請求項１２記載の面発光レーザアレイは、請求項１から１０のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザが同一の半導体基板上に配列されていることを特徴とする。

請求項１３記載の光伝送システムは、請求項１から１０のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして用いることを特徴とする。

請求項１４記載の光伝送システムは、請求項１２記載の面発光レーザアレイを発光デバイスとして用いることを特徴とする。

請求項１５記載の書き込みシステムは、書き込みレーザ光源が請求項１から１０のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザであることを特徴とする。

請求項１６記載の書き込みシステムは、書き込みレーザ光源が請求項１２に記載の面発光レーザアレイであることを特徴とする。

本発明は、半導体層に低屈折率孔を設けて形成される２次元フォトニック結晶構造の近傍に設けられた高抵抗領域と導電性領域からなる電流経路制限層により、キャリアの大部分は低屈折率孔から離れた場所を通るため、２次元フォトニック結晶構造を通過するキャリアのうち低屈折率孔の側壁に達する割合は小さくなり、低屈折率孔の側壁におけるキャリアの非発光再結合を減少させて電流の漏洩を抑制し、かつ低しきい値電流でレーザ光を発振することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１及び２を用い、本実施形態に係るフォトニック結晶レーザ（ＰＣＬＤ）の作製例について説明する。

まず、半導体基板（GaAs、InP、GaP、GaNAs、Si、Geなど）上に、直接又は中間層を介し、下部クラッド層１３、下部ガイド層１２、光を発生する活性層１１、上部ガイド層１０、及び上部クラッド層９からなる半導体積層膜を順次積層する。半導体積層膜を形成する方法例としては、ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）、ＭＯＭＢＥ法（Metalorganic molecular Beam Epitaxy）、ＣＢＥ法（Chemical Beam Epitaxy）があげられる。

半導体基板上に、順に下部クラッド層１３、下部ガイド層１２、活性層１１、上部ガイド層１０、上部クラッド層９と積層し、キャリア閉じ込め領域と光の閉じ込め領域を別にするＳＣＨ構造（Separate Confinement Heterostructure）をとることが望ましい。クラッド層（９、１３）は、光をガイド層（１０、１２）に閉じ込め、正、負のキャリアを活性層１１まで輸送する。活性層１１は、キャリアを閉じ込め、再結合により発光させ、さらには光を増幅させる。

各層の屈折率とバンドギャップの関係は、次のようになる。
クラッド層（９、１３）の屈折率＜ガイド層（１０、１２）の屈折率
クラッド層（９、１３）のバンドギャップ＞ガイド層（１０、１２）のバンドギャップ
＞活性層１１のバンドギャップ

活性層１１/クラッド層（９、１３）/基板１４の組み合わせの例としてはつぎのようなものがあげられる。
Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/GaAs（x＞y）[０．８５μｍ帯]
GaInP/AlGaInP/GaAs[０．６６μｍ帯]
GaInAs/GaInP/GaAs[０．９８μｍ帯]
GaInNAs/AlGaAs/GaAs[１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯]
AlGaInP/AlGaInP/GaAs[０．６５μｍ帯]
GaInAsP/InP/InP[１・３μｍ帯、１．５５μｍ帯]

なお、ガイド層（１０、１２）は、前述の関係にしたがい適宜に選択される。活性層１１は、しきい値電流を小さくできる量子井戸構造をもつことが望ましい。クラッド層（９、１３）およびガイド層（１０、１２）は、複数の層から構成することもできる。その際、活性層１１から離れた層の屈折率は、近い層と同じか、もしくは小さくすることが望ましい。また、バンドギャップは、活性層１１から離れた層のバンドギャップを同じか、大きくすることが望ましい。

次に、上部クラッド層９の表面から多数の低屈折率孔３を形成し、２次元フォトニック結晶構造８を作製する。低屈折率孔３の底部は、上部クラッド層９中に位置する場合もあるが、光の閉じ込めがより良好になるので、上部ガイド層１０中に達する場合が望ましい。

低屈折率孔３の水平方向の配置は、三角格子、正方格子、六方格子が代表的であるが、これらに限定されず、ガイド層（１０、１２）、及びクラッド層（９、１３）に規則的なフォトニック結晶構造を形成でき、かつ光を閉じ込められるものであればよい。

さらに、これらの格子の配置について述べる。

回折型フォトニック結晶レーザの場合、上記の格子の周期が発振光の波長（λ／ｎ）とほぼ同じ長さである。そのため、これらのフォトニック結晶構造８は、いくつかの回折格子を形成する。回折格子内では、光路差が波長の２倍になり２次のブラッグ回折条件を満たしている。また、回折格子間では面内で互いに回転対称であり、互いに発振光の波長（λ／ｎ）の光路差、又は光路差無しで結合する。

図３は、欠陥のない２次元フォトニック結晶のフォトニックバンド図である。これらのフォトニック結晶構造のフォトニックバンド構造と活性層利得の関係は、ブリルアンゾーンの中心Γ点（面内方向の波数ベクトルが０の点）又はバンド端の光の周波数と、活性層１１の利得の周波数とが一致するように設定する。

また、微小共振器型フォトニック結晶レーザの格子配置及び活性層１１の利得の設定は、次のように行うことが望ましい。フォトニック結晶レーザは、格子欠陥１８部に光を強く閉じ込める必要がある。そのため、このフォトニック結晶構造８は、広いフォトニックニックバンドギャップをもつことが望ましい。また、格子欠陥１８に起因する局在準位がギャップ中に位置するように設計し、且つ、この局在準位の周波数と活性層１１の利得の周波数が一致するように設定する（図４に示す）。

次に、フォトニック結晶部の作製方法について述べる。

低屈折率孔３の形成は、ドライエッチング法又はウェットエッチング法により行う。水平方向の速度に対して垂直方向の速度が大きいので、ドライエッチングがこのましい。さらに、ドライエッチング法は、よりエッチング異方性を高めることができるＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング法やＥＣＲ（Electron Cycrotron Resonance）エッチング法などの高密度プラズマ源を用いる方法が好ましい。低屈折孔３の断面形状は、閉じた形状であればよく、円形、矩形、楕円形、多角形などがとれる。また、低屈折率孔３の内部は、空孔の場合、及び上部クッラド層９より低屈折率材料で被覆又は充填されている場合がある。低屈折率孔３の被覆又は充填物は、ポリイミドなどの有機高分子物質、SiO₂、SiON、Al_xO_yなどの無機物質などからなる。

次に、電流経路制限層７を設ける。電流経路制限層７の高抵抗領域１は、その水平方向の断面積が低屈折率孔３の水平方向への断面積より大きくする。また、低屈折率孔３の水平方向の断面は、高抵抗領域１の断面内に含まれるようにする。なお、電流経路制限層７の高抵抗領域１以外の部分は、導電性領域２を設ける。

高抵抗領域１は、SiO₂膜、SiON膜、SiN膜、Al_xO_y、ZrO₂、TiO₂等の絶縁性の酸化物膜、ZrN、TiN等の絶縁性の窒化物、及び、H元素やO元素と組み合わせて高抵抗化したGaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、GaInAsPなどの化合物半導体からなる。低抵抗領域３は、GaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、GaInAsP、InPなどの化合物半導体や、ITO、ZnO、Cu₂O等の導電性の酸化物などからなる。

まず、フォトニック結晶８が設けられた上部クラッド層９の上にSiO₂膜をプラズマＣＶＤ法や蒸着法で作製し、リソグラフィー法を用いて低屈折率孔３上に低屈折率孔３より大きくSiO₂膜を残し高抵抗領域１を作製する。次に、GaAs膜をＭＯＣＶＤ法やスパッタリング法で設ける。この場合、このGaAs膜が導電性領域２と後述の電流拡散層６を兼ねる。

別の作製例としては、まず、フォトニック結晶８が設けられた上部クラッド層９の上にGaAs膜をＭＯＣＶＤ法やスパッタリング法で設ける。次に、イオンインプランテーション法により高抵抗領域１の作製範囲にH、又はOを注入し高抵抗化する。そして、GaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、GaInAsP、InPなどの化合物半導体や、ITO、ZnO、Cu₂O等の導電性の酸化物などからなる電流拡散層６を、ＭＯＣＶＤ法、蒸着法やスパッタリング法、直接接合法、融着法等で設ける。

電流拡散層６は、上部電極５から効率よくキャリアを注入し、注入されたキャリアを効率よく導電性領域２に輸送する働きをする。

次に、Au、Ti、ITO、Cu₂O、ZnOなどからなる上部電極５を蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により設ける。上部電極５は、電流拡散層６とオーミック接合することが望ましい。また、発振光を効率よく出力するため、開口を持つ形状や櫛型形状をとる場合がある。

最後に、Au、Ti、ITO、Cu₂O、ZnOなどからなる下部電極１５を下部スペーサ層と基板１４の間に設ける。下部電極１５も、接続される層とオーミック接合することが望ましい。

次に、基板１４方向及び垂直方向への光の出力について述べる。回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザの場合は、特許文献１に記載されているように、面内で２次の回折条件を満たすフォトニック結晶は、各格子点で垂直方向に回折された光の位相が揃い、垂直方向に光を出力できる。

微小共振器型２次元フォトニック結晶面発光レーザの場合は、微小共振器での光の閉じ込め効率、及び光の水平方向への閉じ込めの効率と垂直方向への閉じ込めの効率を高め、効率よく光が出力されるようにフォトニック結晶の形状や積層膜の構成などを調整する。なお、多くの化合物半導体は、p型伝導体の方がn型伝導体より移動度が小さいため、キャリアの横方向の拡散が小さい。したがって、２つの型ともp型伝導構成膜中に電流経路制限層７を設けることが望ましい。

次に、フォトニック結晶レーザの光の出力について説明する。上部電極５及び下部電極１５から正、負のキャリアを注入し活性層１１で再結合させ発光させる。発光した光は２次元フォトニック結晶８により閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。レーザ光は素子の表面、又は裏面から出力される。

電極から注入されたキャリアは、２次元フォトニック結晶構造８を通過し活性層１１に達するが、半導体層に低屈折率孔３を設けて形成される２次元フォトニック結晶構造８の内部又は近傍に設けられた高抵抗領域１と導電性領域２からなる電流経路制限層７により、キャリアの大部分は低屈折率孔３から離れた場所を通る。よって、２次元フォトニック結晶構造８を通過するキャリアのうち低屈折率孔３の側壁に達する割合は小さくなる。このため、低屈折率孔３の側壁におけるキャリアの非発光再結合は減少し、電流の漏洩を抑制できるため、低しきい値電流で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。

また、下部クラッド層９、下部ガイド層１２、活性層１１、上部ガイド層１０、及び上部クラッド層１０を積層し、キャリア閉じ込め領域と光の閉じ込め領域を別にするＳＣＨ構造（Separate Confinement Heterostructure）をとることにより、キャリアと光の閉じ込めが良好になる。さらに、活性層１１に隣接するガイド層（１０、１２）の中に低屈折率孔３を設けることにより、光の閉じ込めの効果がより高まる。以上により、より低いしきい値電流で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。なお、活性層１１中にフォトニック結晶構造８を設けた場合、活性層１１内で正負のキャリア密度が非常に高くなり、非発光再結合が優勢になるため好ましくない。

次に、図５を用い、低屈折率孔３の底部を上部ガイド層１０中に設けたフォトニック結晶レーザについて説明する。なお、低屈折率孔３の構成以外の構成要素は、上述のフォトニック結晶レーザの作製例と同様に作製されているため、作成方法について説明は省略する。

半導体基板上に、下部クラッド層１３、下部ガイド層１２、活性層１１、上部ガイド層１０からなる半導体積層膜を順次積層する。次に、上部ガイド層１０の表面から多数の低屈折率孔３を形成し２次元フォトニック結晶構造８を作製する。低屈折率孔３の底部は、上部ガイド層１０中に位置するように設ける。

次に、電流経路制限層７を設ける。電流経路制限層７の高抵抗領域１は、高抵抗領域１の基板と平行な断面形状が低屈折率孔３の電流経路制限層７への投影形状より大きく、かつこの投影形状を含むように配置する。電流経路制限層７の高抵抗領域１以外の部分は、導電性領域２を設ける。

高抵抗領域１は、SiO₂膜、SiON膜、SiN膜、Al_xO_y、ZrO₂、TiO₂等の絶縁性の酸化物膜、ZrN、TiN等の絶縁性の窒化物、及び、HやOで高抵抗化したGaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、GaInAsPなどの化合物半導体からなる。低抵抗領域３は、GaAs、AlGaAs、AlAs、AlGaInP、GaInAsP、InPなどの化合物半導体からなる。この低抵抗領域３は上部クラッド層９の一部を兼ねる場合もある。

つづいて、上部クラッド層９をＭＯＣＶＤ法やスパッタリング法、接合法、融着法等で設ける。そして、Au、Ti、ITO、Cu₂O、ZnOなどからなる上部電極５を、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により設ける。最後に、下部クラッド層１３及び基板１４の間のいずれかに接続し、Au、Ti、ITO、Cu₂O、ZnOなどからなる下部電極１５を設ける。

次に、フォトニック結晶レーザの動作について説明する。上部電極５及び下部電極１５から正、負のキャリアを注入し活性層１１で再結合させ発光させる。発光した光は２次元フォトニック結晶８により閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。レーザ光は素子の表面、又は裏面から出力される。

つまり、２次元フォトニック結晶構造８をガイド層（１０、１２）に設け、電流経路制限層７をガイド層（１０、１２）とクラッド層（９、１３）の界面に設けているので電流経路制限層７がクラッド層（９、１３）中や、クラッド層（９、１３）の外に設けられている場合と比較し電流経路制限部７から活性層１１までの距離が短くなる。そのため、大部分のキャリアが低屈折率孔３の側壁に達しないで活性層１１に達する。よって、より低いしきい値電流で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。

次に、図６において上述のフォトニック結晶レーザの下部クラッド層１３と基板１４との間、及び電流拡散層６と上部電極５との間に分布多層膜反射鏡（ＤＢＲ）を設けることにより、光の取り出し効率（外部量子効率）を向上させたフォトニック結晶レーザについて説明する。

分布多層膜反射鏡（ＤＢＲ）は、高屈折率層と低屈折率層のペアをいくつも積層した構成をとり、積層数が大きくなるほど高い反射率が得られる。各層の厚さは、（λ＋２Ｎ）／４ｎとなる。ここで、λは真空中での波長、ｎは構成層の屈折率、Ｎは０以上の整数である。

基板１４と下部クラッド層１３の間に設けられた下部ＤＢＲ１７は、上部に積層する活性層１１に高い結晶品質が要求されるため、エピタキシャル成長膜からなる半導体ＤＢＲを用いるのが好ましい。

半導体ＤＢＲの例としては、AlAs/GaAs、AlGaAs/GaAs、GaInP/GaAs、AlGaN/GaN、GaInAsP/InP、AlGaInAs/InPなどの多層膜があげられる。多くの場合、不純物をドープして導電性をもたせ素子駆動電流の経路の役割も持たせる。半導体ＤＢＲの作製方法は、上述した半導体積層膜の作製方法と同様であるため説明を省略する。ＤＢＲの位置と構成は、意図する光出力方向と基板に垂直方向に放射される光の状況により適宜決定される。

次に、ＤＢＲを有するフォトニック結晶レーザの動作について説明する。

各電極（５、１５）から電流が印加され、フォトニック結晶レーザがレーザ発振すると、基板１４と垂直方向で回折がおこること、基板１４と垂直方向にもモードが立つこと等の理由により、レーザ光が素子の表面と裏面に放射される。レーザ光を出力させる方向と反対側にＤＢＲを設けることにより、光は発光部に戻る。つまり、ＤＢＲをフォトニック結晶レーザの構成層中に設けることにより、基板１４と垂直方向の放射モードを制御でき、光の損失を減少させることが可能になり、光の取り出し効率が高くなる。

次に、２次元フォトニック結晶の各単位格子内に１つ以上の導電性領域２を設けることにより、光の取り出し効率が高い大面積の出力光が得られ、かつ低しきい値電流でレーザ光を出射できる回折型フォトニック結晶レーザについて、図７及び８を用いて説明する。図７に示すフォトニック結晶レーザは、２次元フォトニック結晶８の単位格子上の低屈折率孔３にある高抵抗領域１が、導電性領域２に隔てられ互いに独立している。一方、図８に示すフォトニック結晶レーザは、高抵抗領域１の一部が連結している。

上部電極５は２次元フォトニック結晶８の占める領域と同等かやや小さい領域を占めることが望ましい。上部電極５は、多数の開口をもつ場合、櫛型である場合、平面の透明電極である場合などがある。

次に、２次元フォトニック結晶８の単位格子内に１つ以上の導電性領域２を設けた回折型フォトニック結晶レーザの動作について説明する。

広い領域に電流が注入されると、この領域で発生した光波は、２次の回折条件をみたし、面内方向には群速度が０で定在波がたつようになり、広い領域でレーザ発振する。このため、大面積で垂直方向にレーザ光が出力される。なお、この２次元フォトニック結晶８において、フォトニック結晶中に光を強く閉じ込める必要はない。このため、この２次元フォトニック結晶８は、広いフォトニックバンドギャップをもつことが必須条件ではない。

上述の構成によれば、全ての単位格子内に導電性領域２を設け、且つ各低屈折率孔３に付属し高抵抗領域１を設けているので、広い領域で、かつ電流の漏洩を防止しつつキャリアを注入できるようになる。よって、光の取り出し効率が高い大面積の出力光が得られ、かつ低しきい値電流でレーザ光が出射される。

次に、２次元フォトニック結晶構造に格子欠陥及び該格子欠陥を電流経路制限層に投影される位置に導電性領域を備え、欠陥がない２次元フォトニック結晶構造領域が電流経路制限層に投影される領域を全て高抵抗領域にすることにより、低しきい値電流でレーザ光を発振できる微小共振器型フォトニック結晶レーザについて、図９及び１０を用いて説明する。

図９及び１０に示すように、２次元フォトニック結晶８中に１つ以上の格子欠陥１８を有し、この格子欠陥１８の直上の電流経路制限層７は導電性領域２からなり、格子欠陥１８がある領域以外の全域が高抵抗領域１からなる構成をとる。なお、格子欠陥１８は低屈折率孔３がない形式をとるのが望ましい。また、上部電極５は、格子欠陥１８がある領域が開口しているか、又は透明電極であることが望ましい。

各電極（５、１５）に電流を流すと、格子欠陥１８部の活性層１１にだけキャリアが注入され発光する。発光した光は格子欠陥１８部にだけ閉じ込められ、特定のモードの定在波のみレーザ発振する。このため、低しきい値電流で垂直方向にレーザ光が出力される。

格子欠陥１８領域にだけ電流を狭窄する構成で、且つ、近接する低屈折率孔３の周辺に高抵抗領域１が設けられているので、狭窄された電流が非発光再結合することが少なく活性層１１に注入されるため、光り取り出し効率がよく、かつ低しきい値電流による発振が可能である。

次に、基板にGaAsを用いたフォトニック結晶レーザによるレーザ光の発振について説明する。具体的には、基板１４（GaAs）上にAlGaAs、GaInP、AlAs、AlGaInP、GaInAs、GaInNAs、AlGaInPのようなエピタキシャル成長する膜を作製する。

フォトニック結晶８と基板１４との界面において、GaAs系の材料は、InP系の材料より非発光再結合中心となる界面準位密度が高いため、基板（GaAs）１４上の膜でフォトニック結晶を作製するのは困難である。そこで、フォトニック結晶８近傍に非発光再結合を抑制する電流経路制限層７を設けることにより、非発光再結合による電流の漏洩が少ないフォトニック結晶レーザを形成することができる。また、広い波長帯をもつフォトニック結晶レーザを実現できる。

また、基板１４にGaAsを用い、電流経路制限層７の導電性領域２がAl_xGa_1-xAs （０＜x≦１）層からなり、かつ高抵抗領域１はAl_xGa_1-xAs層が酸化したAl_xGa_yOzから構成される。Al_xGa_1-xAs（０＜x≦１）（以下、Al（Ga）Asとする）は、ｘの値が０．９５以上であることにより、制御可能な酸化速度になり好ましい。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の電流狭窄構造の作成方法において、最も用いられている方法は、共振器近傍に設けたAl（Ga）As膜の側壁をエッチングで露出させた後、水蒸気を導入した４００℃程度の熱処理で、Al（Ga）As膜を側壁壁から酸化していき高抵抗領域１を形成する選択酸化法である。本構成の作製方法の反応機構はこの選択酸化法の機構と同じである。

次に、図１１を用いて高抵抗領域１にAl（Ga）Asの酸化物、導電性領域２にAl（Ga）Asを用いた場合のフォトニック結晶レーザの作製例について説明する。

半導体基板上に、下部クラッド層１３、下部ガイド層１２、活性層１１、上部ガイド層１０、Al（Ga）As電流経路制限層７、上部クラッド層９を設ける。次に、上部クラッド層９表面から多数の低屈折率孔３を形成し、２次元フォトニック結晶構造を作製する。低屈折率孔３の底部は、上部ガイド層９中に位置するように設ける。このとき、低屈折率孔３の内壁にAl（Ga）As層の断面が露出する。次に、前述のＶＣＳＥＬの選択酸化と同様の条件でAl（Ga）As層を酸化する。例えば、低屈折率孔３の断面が円形の場合は、酸化した高抵抗領域１は低屈折率孔３と同心円に形成される。酸化時間を増やすと近接した低屈折率孔３から伸びてきた高抵抗領域１が繋がる。次に、Au、Ti、ITO、Cu₂O、ZnOなどからなる上部電極５を蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により設ける。最後に、下部クラッド層１３と基板１４の間のいずれかに接続し、Au、Ti、ITO、Cu₂O、ZnOなどからなる下部電極１５を設ける。

図１１に示したフォトニック結晶レーザにおいは、上部電極５及び下部電極１５から正、負のキャリアを注入し活性層１１で再結合させ発光させ、２次元フォトニック結晶により光を閉じ込め、さらに増幅して素子の表面及び裏面からレーザ発振する。本構成によれば、高抵抗領域１は低屈折率孔３と自己整合的に生成するので、リソグラフィー工程が不要な上に、高精度に形成できる。また、上部電極５から注入され導電性領域２を通過したキャリアの大部分は確実に低屈折率孔３から離れた箇所を通る。さらに、低屈折率孔３の側壁でのキャリアの非発光再結合はより少なくなる。よって、簡便な工程で作製でき、かつ電流の漏洩が抑制でき、低しきい値電流で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。

また、図１１に示したフォトニック結晶レーザの構成に加え、活性層１１にGaInNAs系材料を含むことにより、光伝送用光源として汎用性の高いフォトニック結晶レーザを得ることができる。

GaInNAs系材料は、NとAsを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成されている。具体的には、GaNAs、GaInNAs、GaInAsSb、GaInNP、GaNP、GaNAsSb、GaInNAsSb、InNAs、InNPAsなどで構成される。発振波長が１．１〜１．６μｍ程度の長波長帯半導体レーザは、発振光が石英系ファイバ中を損失少なく伝播し、Si基板中を吸収少なく透過するので、長距離光通信網のほか、チップ間、チップ内、ボード間、ボード内、LAN内の光伝送用光源としての適用性が特に高い。

従来、この長波長帯半導体レーザは、基板（InP）１４上に形成する活性層（GaInAsP）１１をもつ端面発光レーザが実用化されている。また、前述のように、２次元フォトニック結晶レーザも発振が報告されているが、この基板（InP）１４上のGaInAsP系レーザは温度特性が低いので冷却装置が必要である。

一方、基板（GaAs）１４上に作製するGaInNAs系長波長帯レーザは、温度特性が高いため、室温環境下でＣＷ発振する。これらの利点のため、近年、GaInNAs系長波長帯レーザは盛んに研究開発されてきている。

本構成のフォトニック結晶レーザの各電極（５、１５）にキャリアを注入しレーザ発振させると、発振光のモードは２次元フォトニック結晶８で制限され特定のモードをもつ長波長帯のレーザ光が高い出力で得られる。具体的には、上部電極５及び下部電極１５から正、負のキャリアを注入し活性層１１で再結合させ発光させ、発光した光は２次元フォトニック結晶８により閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。そして、長波長帯のレーザ光が素子の表面、又は裏面から出力される。

本構成により、温度特性が良好で低しきい値電流で発振する長波長フォトニック結晶レーザを得ることができる。また、高性能の光伝送に適用性の高い垂直に出力するレーザ光源となり得る。

次に、より低閾値で電力利用効率が高いフォトニック結晶レーザの作製方法について図１２、及び１３を用いて説明する。

下部電極１５に下部半導体ＤＢＲ１７、下部クラッド層１３と下部ガイド層１２とからなる第１の導電型半導体層、及び活性層１１と、上部ガイド層１０と、電流経路制限層（AlAs）７と、第１の融着層２４とからなる第２の導電型半導体層を順次エピタキシャル成長させ第１の半導体積層膜を形成する。なお、第１の融着層２４の表面を第１の表面とする。

一方、上部基板２５上に、GaInP等のエッチストップ層２６、上部半導体ＤＢＲ１６、上部クラッド層９、第２の融着層２７からなる第３の導電型半導体層を順次エピタキシャル成長させ第２の半導体積層膜を形成する。なお、第２の融着層２７の表面を第２の表面とする。

続いて、第１の表面にレジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ドライエッチング法を用い、フォトニック結晶構造を作製する。次に、水蒸気を導入しながら４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出した電流経路制限層７の側壁から酸化し、高抵抗領域を形成する。酸化されないで残った電流経路制限層７は導電性領域となる。

次に、第１の表面と第２の表面とを重ね、加重をかけながら真空中で４２０〜６５０℃で熱処理を施して接合する。次に、第２の半導体積層膜側の上部基板２５を研磨とエッチングで除去しGaInPエッチストップ層２６を露出させ、HCl/H₂O液でGaInPエッチストップ層２６を除去し、上部半導体ＤＢＲ１６を露出させる。次に、上部電極５を蒸着したのちリフトオフ、ＦＩＢエッチング等により低反射率構造上に電極開口を形成する。最後に、下部基板１４の裏面に、下部電極１５を設ける。

上記作製方法のほかに、第２の半導体積層膜側に電流経路制限層７とフォトニック結晶構造８をもつ場合や、融着工程までは上記作製例により行い、続いて下部基板１４を除去する場合などがある。ウェハ融着法を用いる製造方法なので、フォトニック結晶上に半導体膜を再成長させる必要がなく、ＤＢＲを含む全ての半導体膜をエピタキシャル成長膜とすることができる。また、フォトニック結晶構造の低屈折率孔の内部に充填物がないため、高屈折率領域との屈折率差が大きくなり、発振光の閉じ込め効率が向上する。以上より、より低閾値で電力利用効率も高いフォトニック結晶レーザが得られる。

図１４は、本発明のフォトニック結晶レーザを、１枚の基板上に２次元に配列させたフォトニック結晶レーザアレイの例である。この場合のフォトニック結晶レーザは開口をもつ上部電極をもつ回折型フォトニック結晶レーザである。１枚の基板上に多数の素子を一括で作製でき、へき開が不用なので、前述の作用効果をもつフォトニック結晶レーザの１次元及び２次元高密度集積化されたアレイ光源が低コストで得られる。

図１５は、上述のフォトニック結晶レーザを備えたボード１９間の並列光伝送システムの一例である。フォトニック結晶レーザからの信号を複数のファイバ２３を用い同時に伝送する構成となっている。図１６は、基板１４にGaInNAsを用いたフォトニック結晶レーザを光源として備えたボード１９のチップ間の並列空間光伝送システムの一例である。この例の場合、フォトニック結晶レーザからの信号は、基板（Si）１４を透過して並列に光伝送する。上述ように電流の漏洩が少ないフォトニック結晶レーザを光源として備えて光伝送システムを構成しているので、より高出力伝送が可能になり、この高出力化により高速伝送が可能になるデータ伝送システムを得ることができる。

図１４のフォトニック結晶レーザアレイを光源として用いたレーザプリンタ書き込みシステムの例を図１７に示す。上述のフォトニック結晶レーザを光源として用いるので、より高出力の書き込みが可能になり、これにより高速書き込みが可能になるレーザプリンタ書き込みシステムが得られる。

以下に本発明に係るフォトニック結晶レーザの具体的な実施例について説明する。

図１８は、高抵抗領域１にSiO₂、導電性領域２にp-AlGaA、低屈折率孔３にSiO₂を使用した回折型フォトニック結晶レーザを示す。図１９は、図１８に示したフォトニック結晶レーザの断面図である。

図１４及び１５に示したフォトニック結晶レーザの作製例について説明する。

ＭＯＣＶＤ法で、n-GaAs単結晶（１００）基板１４上に、n-Al_0.9Ga_0.1As/n-GaAs ２０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ１７、厚さ１．０μｍの下部クラッド層（n-Al_0.8Ga_0.2As）１３、厚さ０．１μｍの下部ガイド層（GaAs）１２、活性層（GaInAs/GaAs TQW）１１、厚さ０．１μｍの上部ガイド層（GaAs）１０、厚さ０．２μｍの上部クラッド層（p- Al_0.8Ga_0.2As）９を順次エピタキシャル成長させ半導体積層膜を形成する。次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＩＣＰエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内に、格子間隔０．４１μｍの三角格子で各格子点には直径０．１μｍの低屈折率孔３用の孔を有するフォトニック結晶８を作製する。この孔は、上部クラッド層９での孔の深さが０．１５μｍになるようにする。次にＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのSiO₂膜を形成する。次にリソグラフィー、ウェットエッチングにより、低屈折率孔３の入り口を含むように直径０．３５μｍの円形パターンの高抵抗領域１を形成する。このとき低屈折率孔３はSiO₂で満たされる。他の領域のSiO₂膜は除去する。つづいて、厚さ０．２μｍのp-AlGaAs膜をＭＢＥ法で形成し電流拡散層６とする。このp-AlGaAs膜は、上部クラッド層９が露出している上ではエピタキシャル成長し、SiO2高抵抗領域１の上では多結晶体となる。なお、このAlGaAs膜が導電性領域２を兼ねる。この上に厚さ５０ｎｍのコンタクト層（GaAs）２２を設け、その上に、くし型の上部電極（Au/AuZn）５を設ける（図２０に示す）。最後に、基板（GaAs）１４の裏面に、下部電極（Au/Ti/AuGe）１５を設ける。

低屈折率孔３の上部に広がっている高抵抗領域（SiO₂）１の存在のため電流経路が制限され、低屈折率孔３に達するキャリアが少なくなり低屈折率孔３の側壁でのキャリアの非発光再結合は少なくなる。よって、電流の漏洩が減少し、低しきい値電流でレーザ光の発振ができる。また、下部半導体ＤＢＲ１７を設けているのでレーザ光は素子の表面から出力される。

図２１は、高抵抗領域１にAl_xO_y、導電性領域２にp-AlGaA、低屈折率孔３にSiO₂を使用した回折型フォトニック結晶レーザを示す。図２２は、図２１に示したフォトニック結晶レーザの断面図である。

図２１及び２２に示したフォトニック結晶レーザの作製例について説明する。

ＭＢＥ法で、n-GaAs単結晶（１００）基板１４上に、厚さ１．０μｍの下部クラッド層（n-Al_0.8Ga_0.2As）９、厚さ０．１μｍのガイド層（GaAs）（１０、１２）、活性層（GaInNAs/GaAs TQW）１１、厚さ０．１μｍの上部ガイド層（GaAs）１０、厚さ０．２μｍの上部クラッド層（p-Al_0.8Ga_0.2As）９、厚さ０．１μｍの電流経路制限層（p-AlAs）７、p-Al_0.9Ga_0.1As/p-GaAs ５．５ペアからなる上部半導体ＤＢＲ１６を順次エピタキシャル成長させ半導体積層膜を形成する。次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＥＣＲエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内に、格子間隔０．４９μｍの正方格子で各格子には直径０．１μの低屈折率孔３用の孔を有するフォトニック結晶８を作製する。この孔は、上部ガイド層１０での孔の深さが０．０５μｍになるようにする。次に、水蒸気を導入した４００℃程度の熱処理で、電流経路制限層（p-AlAs）７を低屈折率孔３内壁に露出した側壁から酸化していき外径が０．３５μｍの高抵抗領域１を形成する。次に、ＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのSiO₂膜を形成する。次にリソグラフィー、ウェットエッチングにより、低屈折率孔３をSiO₂で満たす。他の領域のSiO₂膜は除去する。全面に、上部電極（Au/AuZn）５を設ける。最後に、基板（GaAs）１４の裏面の全域に、ＩＴＯ下部電極１５を設ける。

図１６及び図１７に示すフォトニック結晶レーザによれば、ガイド層（１０、１２）中に低屈折率孔３が設けられているので光の閉じ込めが良くなり低しきい値電流によってレーザ光の発振が可能となる。また、ガイド層（１０、１２）とクラッド層（９、１３）の境界に電流経路制限層７を設けているので大部分のキャリアが低屈折率孔３の側壁に達する前に活性層１１に達するので電流の漏洩をより少なくできる。また、電流経路制限層７の導電性領域２がAlAs層からなり、高抵抗領域１はAlAsが酸化した層からなっているので、電流経路制限層７を精度よく形成することができるため、より確実に、電流の漏洩を防止でき、かつ低しきい値電流でレーザ光を発振できる。なお、上部半導体ＤＢＲ１６が設けられているので、レーザ光は、選択的に素子の裏面から出力される。また、活性層１１にGaInNAs系材料を含んでいるので、高効率で低しきい値電流によるレーザ光の発振が可能な系フォトニック結晶レーザを得ることができる。

図２３は、高抵抗領域１にAlGaAs酸化物、導電性領域２にp-AlGaAs、低屈折率孔３にSiO₂を使用した回折型フォトニック結晶レーザを示す。

このフォトニック結晶レーザの作製例について説明する。

まず、ＭＯＣＶＤ法で、n-GaAs単結晶（１００）基板１４上に、n-Al_0.9Ga_0.1As/n-GaAs ２０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ１７、厚さ１．０μｍの下部クラッド層（n-Al_0.8Ga_0.2As）１３、厚さ０．１μｍのガイド層（GaAs）（１０、１２）、活性層（GaInNAs/GaAs TQW）１１、厚さ０．１μｍの上部ガイド層（GaAs）１０、厚さ０．２μｍの上部クラッド層（p-Al_0.8Ga_0.2As）９、厚さ０．１μｍの電流経路制限層（p-Al_0.95Ga_0.05As）７、厚さ０．１μｍのコンタクト層（p-GaAs）２２を順次エピタキシャル成長させ半導体積層膜を形成する。次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＥＣＲエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内に、格子間隔０．５４μｍの三角格子で各格子には直径０．１μｍの低屈折率孔３用の孔を有するフォトニック結晶８を作製する。この孔は、上部ガイド層１０での孔の深さが０．０５μｍになるようにする。次に、水蒸気を導入した４００℃程度の熱処理で、電流経路制限層（p-AlGaAs）７を低屈折率孔３内壁から酸化していき、低屈折率孔３と中心を同じくした外径が０．４μｍの円形の高抵抗領域１を形成する。次に、ＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのSiO₂膜を形成する。次にリソグラフィー、ウェットエッチングにより、低屈折率孔３をSiO₂で満たし、他の領域のSiO₂膜を除去する。試料表面に、くし型の上部電極（Au/AuZn）５を設ける。最後に、基板（GaAs）１４の裏面の全域に、下部電極（Au/Ni/AuGe）１５を設ける。

図１８及び図１９に示すフォトニック結晶レーザは、上部電極５及び下部電極１５から、それぞれ正、負のキャリアを注入し活性層１１で再結合させ発光させ、レーザ光は素子の表面のくし型電極の間から出力される。

上記の構成によれば、ガイド層（１０、１２）中に低屈折率孔３が設けられているので光の閉じ込めが良くなり低しきい値電流によるレーザ光の発光可能となる。また、ガイド層（１０、１２）とクラッド層（９、１３）の境界に電流経路制限層７が設けられているので、電流の漏洩がより少なくなる。また、電流経路制限層７の高抵抗領域１はAlGaAsが酸化した層からなっているので、電流経路制限層７を精度よく形成することができるため、より確実に、電流の漏洩が小さくなり、低いしきい値電流でレーザ光が発振するようになる。また、下部半導体ＤＢＲ１７が設けられているので、レーザ光は選択的に素子の表面から出力される。さらに、活性層１１にGaInNAs系材料を含んでいるので、低しきい値電流でレーザ光の発振が可能なフォトニック結晶レーザとなる。

図２４は、高抵抗領域１にAlAs酸化物、導電性領域２にp-AlAs、低屈折率孔３にSiO₂を使用した微小共振器型フォトニック結晶レーザの断面図である。

図２４に示したフォトニック結晶レーザの作製例について説明する。

まず、ＭＯＣＶＤ法で、n-GaAs単結晶（１００）基板１４上に、n-Al_0.9Ga_0.1As/n-GaAs ２０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ１７、厚さ０．１μｍの下部クラッド層（n-Al_0.8Ga_0.2As）１３、厚さ０．１μｍのガイド層（GaAs）（１０、１２）、活性層（GaInNAs/GaAs TQW）１１、厚さ０．１μｍの上部ガイド層（GaAs）１０、厚さ０．１μｍの電流経路制限層（p-AlAs）７、厚さ０．１μｍの上部クラッド層（p-Al_0.8Ga_0.2As）９、p-Al_0.9Ga_0.1As/p-GaAs 1ペアの上部半導体ＤＢＲ１６、厚さ０．１μｍのコンタクト層（p-GaAs）２２を順次エピタキシャル成長させ半導体積層膜を形成する。次に、レジストを塗布し、ステッパによる縮小投影露光法と、ＩＣＰエッチング法を用い、積層膜表面の直径２０μｍの範囲内に、格子間隔０．３９μｍの三角格子で、１つの格子を除いたすべての格子上に直径０．２３μｍの低屈折率孔３用の孔を有する微小共振器型フォトニック結晶８を作製する。この孔は、上部ガイド層１０での孔の深さが０．０５μｍになるようにする。次に、水蒸気を導入した４００℃程度の熱処理で、電流経路制限層（p-AlAs）７を低屈折率孔３内壁の側壁から酸化していき、各孔から広がる高抵抗領域１がつながり、格子欠陥１８がない領域の全てが高抵抗領域１になり、格子欠陥１８領域では約０．１５μｍ²の導電性領域２が残るように形成する。次に、ＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのSiO₂膜を形成する。次にリソグラフィー、ウェットエッチングにより、低屈折率孔３をSiO₂で満たす。他の領域のSiO₂膜は除去する。次に、試料全面に、格子欠陥１８の上が開口した上部電極（Au/AuZn）５を設ける。最後に、基板（GaAs）１４の裏面の全域に、下部電極（Au/Ni/AuGe）１５を設ける。

この微小共振器型フォトニック結晶構造は、広いフォトニックバンドギャップを有し、格子欠陥１８はバンド中に光学的な局在準位を形成する。上部電極５及び下部電極１５から電流を流すと、格子欠陥１８部の活性層１１にだけキャリアが注入され発光する。発光した光は格子欠陥１８部にだけ閉じ込められ、特定のモードの定在波だけがレーザ発振する。このため、低しきい値電流で表面方向にレーザ光が出力される。

この微小共振器型フォトニック結晶レーザによれば、電流経路制限層７の高抵抗領域１はAlAsが酸化した層からなるため、格子欠陥１８領域にだけ電流を狭窄する構造が高精度、かつ容易に作製できる。よって、より確実に低しきい値電流によるレーザ光の発光が可能である。また、上半導体ＤＢＲ１６、及び下半導体ＤＢＲ１７が設けられ反射率が調整されているので、レーザ光は選択的に素子の表面から出力される。また、活性層１１にGaInNAs系材料が含まれているため、環境温度が変化してもレーザの特性が低下しにくく、低しきい値電流でレーザ発振が可能な長波長面発光レーザが得られる。また、ガイド層（１０、１２）中に低屈折率孔３が設けられているので光の閉じ込め効率が向上する。さらに、ガイド層（１０、１２）とクラッド層（９、１３）の境界に電流経路制限層７が設けられているため、低しきい値電流でレーザ発振することができる。

図２５は、高抵抗領域１にAlAs酸化物、導電性領域２にp-AlAs、低屈折率孔３にSiO₂を使用した回折型フォトニック結晶レーザの断面図である。

図２５に示したフォトニック結晶レーザの作製例について説明する。

ＭＯＣＶＤ法で、n-GaAs単結晶(１００)からなる下部基板１４上に、n- Al_0.9Ga_0.1As /n-GaAs １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ１７、厚さ０．６μｍのn- Al_0.8Ga_0.2Asからなる下部クラッド層１３、厚さ１５０ｎｍのGaAsからなる下部ガイド層１２、GaInNAs/GaAs TQWからなる活性層１１、厚さ１５０ｎｍのGaAsからなる上部ガイド層１０、厚さ３０ｎｍのp-AlAsからなる電流経路制限層７、厚さ３００ｎｍのp- Al_0.8Ga_0.2Asからなる上部クラッド層９、厚さ１０ｎｍのp-GaAsからなる第１の融着層２４を順次エピタキシャル成長させ第１の半導体積層膜を形成する。

一方、ＭＯＣＶＤ法で、n-GaAs単結晶(１００)からなる上部基板２５上に、厚さ０．５μｍのGaInPからなるエッチストップ層２６、５．５ペアのp- Al_0.9Ga_0.1As /p-GaAsからなる上部半導体ＤＢＲ層１６を順次エピタキシャル成長させ第２の半導体積層膜を形成する。この上部半導体ＤＢＲ層１６の最表面のp-GaAsからなる第２の融着層２７の厚さは、通常より１０ｎｍ薄くし１００ｎｍとし、第１の半導体積層膜のp-GaAsからなる第１の融着層２４の融着後に合計でλ／４ｎの厚さにするためである。

つづいて、第１の半導体積層膜にレジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＩＣＰエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。このフォトニック結晶構造は、積層膜表面の直径５０μｍの領域内で、格子間隔４３９ｎｍの三角格子である。各格子点には、直径１００ｎｍの低屈折率孔用の孔を有する。これらフォトニック結晶構造の低屈折率孔の底面が、上部ガイド層１０の上面から１００ｎｍの距離に位置するようにする。

次に、水蒸気を導入しながら４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出したp-AlAsからなる電流経路制限層７の側壁から酸化させ、外径が３５０ｎｍの高抵抗領域を形成する。酸化されずに残ったp-AlAsからなる電流経路制限層７は導電性領域となる。次に、真空中で４５０℃の熱処理を行うことにより、第１の半導体積層膜のp-GaAsからなる第１の融着層２４と第２の半導体積層膜の上部半導体ＤＢＲ１６の最表面のp-GaAsからなる第２の融着層２７を融着する。次に、第２の半導体積層膜側のGaAsからなる上部基板２５を、研磨及びH₂SO₄/H₂O₂/H₂O液を用いたエッチングにより除去し、GaInPからなるエッチストップ層２６を露出させる。つづいて、HCl/H₂O液でGaInPからなるエッチストップ層２６を除去し、p-GaAsからなる上部半導体ＤＢＲ層１６を露出させる。次に、p-GaAsからなる上部半導体ＤＢＲ層１６の表面に直径３０μｍの開口を形成し、SiO₂を充填して低屈折率孔３を形成する。つづいて、Au/AuZn膜を蒸着したのち、リフトオフにより前述のSiO₂膜の開口と中心を同じくした直径１０μｍ開口をもつ外径４０μｍの上部電極５を設ける。最後に、GaAsからなる下部基板１４の裏面に、Au/Ti/AuGeからなる下部電極１５を設ける。

上述の製造方法により作成されたフォトニック結晶レーザにおいて、上部電極５及び下部電極１５から、それぞれ正、負のキャリアを注入し活性層１１で再結合させて発光させ、レーザ光を素子の表面の電極開口から出力する。

上述のフォトニック結晶レーザの製造方法においては、ウェハ融着法により、フォトニック結晶の上の半導体部を接合しているので、再成長が不要となり、欠陥による吸収と散乱がない高品質の半導体部を得ることができる。このため、閾値電流がより低くなり電力利用効率も高まる。また、フォトニック結晶構造の低屈折率孔の内部が、空気や不活性気体が充填されている状態又はそれらの気体の減圧状態になるので高屈折率領域との屈折率差が大きくなり、発振光の閉じ込め効率を向上させることができる。このため、閾値電流がさらに低くなり電力利用効率もさらに高まるので、連続発振がより容易になる。

高抵抗領域と低屈折率孔の基板と平行な面への投影図である。 回折型ＰＣＬＤの基本構成を示す断面図である。 欠陥のないフォトニック結晶レーザのフォトニックバンドの一部拡大図である。 欠陥を有するフォトニック結晶レーザのフォトニックバンドの一部拡大図である。 回折型ＰＣＬＤの基本構成を示す断面図である。 上部ＤＢＲ及び下部ＤＢＲを有する回折型ＰＣＬＤの断面図である。 高抵抗領域が独立する六方格子の２次元ＰＣＬＤにおける高抵抗領域と低屈折率孔の基板と平行な面への投影図である。 高抵抗領域が結合した六方格子の２次元ＰＣＬＤにおける高抵抗領域と低屈折率孔の基板と平行な面への投影図である。 微小共振器ＰＣＬＤにおける高抵抗領域と低屈折率孔の基板と平行な面への投影図である。 上部ＤＢＲ及び下部ＤＢＲを有する微小共振器型ＰＣＬＤの断面図である。 Al(Ga)Asの酸化物からなる高抵抗領域とAl(Ga)Asからなる導電性領域からなる回折型ＰＣＬＤの断面図である。 半導体積層膜を接合して作成される回折型ＰＣＬＤの接合工程を示す図である。 半導体積層膜を接合して作成された回折型ＰＣＬＤの断面図である。 ２次元配列回折型ＰＣＬＤのアレイ光源を示す図である。 ＰＣＬＤアレイを備えた光ファイバー伝送システムの断面図である。 GaInNAs系ＰＣＬＤアレイを備えた空間伝送システムの断面図である。 ＰＣＬＤアレイを光源として備えたレーザプリンタ書き込みシステムの概略図である。 実施例１に係わるフォトニック結晶レーザの概略図である。 実施例１に係わるフォトニック結晶レーザの断面図である。 実施例１に係わるフォトニック結晶レーザの概略図である。 実施例２に係わるフォトニック結晶レーザの電流経路制限層における断面図である。 実施例２に係わる回折型ＰＣＬＤの断面図である。 実施例３に係わる回折型ＰＣＬＤの断面図である。 実施例４に係わる微小共振器ＰＣＬＤの断面図である。 実施例５に係わる回折型ＰＣＬＤの断面図である。

符号の説明

１ 高抵抗領域
２ 導電性領域
３ 低屈折率孔
４ 高屈折率層
５ 上部電極
６ 電流拡散層
７ 電流経路制限層
８ ２次元ＰＣ層
９ 上部クラッド層
１０ 上部ガイド層
１１ 活性層
１２ 下部ガイド層
１３ 下部クラッド層
１４ 基板
１５ 下部電極
１６ 上部ＤＢＲ
１７ 下部ＤＢＲ
１８ 格子欠陥部
１９ ボード
２０ 受光素子
２１ フォトニック結晶レーザ
２２ コンタクト層
２３ ファイバ

Claims (16)

1. 上部電極と、下部電極と、前記下部電極上に積層された基板と、前記基板上に積層された第１の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体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第２の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体層又は前記第２の導電型半導体層に屈折率が低い低屈折率領域を周期的に格子状に配列したフォトニック結晶構造とを有するフォトニック結晶レーザにおいて、
   前記フォトニック結晶構造と前記上部電極又は前記下部電極との間に前記発光層へキャリアを注入する経路を制限する電流経路制限層と、
   前記電流経路制限層は、高抵抗領域と導電性領域とを有し、
   前記電流経路制限層は、前記フォトニック結晶構造と当接し、
   前記各層に平行な前記低屈折領域の断面が前記各層に平行な前記高抵抗領域の断面内に配置されていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
2. 前記第１の導電型半導体層は、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下部ガイド層と、
   前記第２の導電型半導体層は、前記活性層上に積層された上部ガイド層と、前記上部ガイド層上に積層された上部クラッド層とを有することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶レーザ。
3. 前記下部クラッド層の屈折率が前記下部ガイド層の屈折率より小さく、かつ前記上部クラッド層の屈折率が前記上部ガイド層の屈折率より小さいことを特徴とする請求項２記載のフォトニック結晶レーザ。
4. 前記下部クラッド層のバンドギャップは、前記下部ガイド層のバンドギャップより大きく、
   前記上部クラッド層のバンドギャップは、前記上部ガイド層のバンドギャップより大きく、
   前記下部ガイド層及び前記上部ガイド層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項２又は３記載のフォトニック結晶レーザ。
5. 前記基板と前記第１の導電型半導体層との間、及び前記第２の導電型半導体層と前記上部電極との間の少なくともいずれか一方に分布多層膜反射鏡を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザ。
6. 前記低屈折率領域からなる格子点の一部を取り除くことにより一つ以上の格子欠陥を作り、前記格子欠陥を光共振器とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザ。
7. 前記導電性領域が前記格子欠陥と当接することを特徴とする請求項６記載のフォトニック結晶レーザ。
8. 前記基板がGaAsであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザ。
9. 前記導電性領域がAl_xGa_1-xAs（０＜ｘ≦１）からなり、前記高抵抗領域がAl_xGa_1-xAsの酸化物からなることを特徴とする請求項８記載のフォトニック結晶レーザ。
10. 前記活性層がGaInNAs系材料を有することを特徴とする請求項８又は９記載のフォトニック結晶レーザ。
11. 第１の導電型半導体層、活性層、及び第２の導電型半導体層を第１の基板上に順次形成する工程と、
    第２の基板に第３の導電型半導体層を形成する工程と、
    前記第２の導電型半導体層又は前記第３の導電型半導体層に２次元フォトニック結晶構造と電流経路制限層とを形成する工程と、
    前記第２の導電型半導体層の表面と前記第３の導電型半導体層の表面とを接合する工程とを有することを特徴とするフォトニック結晶レーザの製造方法。
12. 請求項１から１０のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザが同一の半導体基板上に配列されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
13. 請求項１から１０のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして用いることを特徴とする光伝送システム。
14. 請求項１２記載の面発光レーザアレイを発光デバイスとして用いることを特徴とする光伝送システム。
15. 書き込みレーザ光源が請求項１から１０のいずれか１項記載のフォトニック結晶レーザであることを特徴とする書き込みシステム。
16. 書き込みレーザ光源が請求項１２に記載の面発光レーザアレイであることを特徴とする書き込みシステム。

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