JP2008103600A - Semiconductor optical device - Google Patents

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Shinichiro Ushito
信一郎 牛頭
Akio Ueda
章雄 上田
Koichi Akaha
浩一 赤羽
Naokatsu Yamamoto
直克 山本
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Abstract

【課題】面出力型の半導体光デバイスの構造を簡単にして製造し易くする。さらに発光デバイスの他に、光増幅デバイスとしても用い得るようにする。
【解決手段】半導体基板上に形成され光学遷移が起こる活性層領域と、活性層領域に形成した導波路と、活性層領域に電流を供給する電極と、を備え、半導体基板表面に沿った導波路をもち、垂直方向に光を出力する半導体光素子であって、電極は、互いに電気的に接続された導電性の物質で構成され、2次元の周期性のある形状をもち、上記の半導体光素子の導波路の近傍で導波路に沿って形成され、上記の活性層領域に電気的に接続され、上記の導波路を伝搬する光波に、フォトニック結晶として作用して導波路に垂直な方向に目的とする光を導くものであり、その周期は、ほぼ導波路を伝搬する光の波長の長さであり、その電極と半導体基板間に電流を流して、上記の活性層領域に給電する。
【選択図】図1
A structure of a surface output type semiconductor optical device is simplified to facilitate manufacture. Further, in addition to the light emitting device, it can be used as an optical amplification device.
An active layer region formed on a semiconductor substrate in which an optical transition occurs, a waveguide formed in the active layer region, and an electrode for supplying a current to the active layer region, are provided along the surface of the semiconductor substrate. A semiconductor optical device having a waveguide and outputting light in the vertical direction, wherein the electrodes are made of conductive materials electrically connected to each other, have a two-dimensional periodic shape, and the semiconductor Formed along the waveguide in the vicinity of the waveguide of the optical element, electrically connected to the active layer region, and acting as a photonic crystal on the light wave propagating through the waveguide, and perpendicular to the waveguide The target light is guided in the direction, and its period is almost the wavelength length of light propagating in the waveguide, and a current is passed between the electrode and the semiconductor substrate to feed the active layer region. To do.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、半導体基板表面から光を出力する発光素子あるいは光増幅素子として用いることができる半導体光デバイスに関している。   The present invention relates to a semiconductor optical device that can be used as a light emitting element or an optical amplifying element that outputs light from the surface of a semiconductor substrate.

一般に、半導体光デバイスは、小型で、変換効率が高く、長寿命であることが知られている。例えば、半導体発光ダイオード(LED)は、製造コストが低く、長寿命の固体素子光源であり、照明用にも大いに普及する可能性がある。また、面放射型LEDや面放射型レーザダイオードは、他の電子回路とともに1つのチップに集積することで得られる利点が大きいため注目されている。   In general, it is known that a semiconductor optical device is small, has high conversion efficiency, and has a long lifetime. For example, semiconductor light-emitting diodes (LEDs) are low-cost, long-life solid-state light sources that can be widely used for lighting. Also, surface emitting LEDs and surface emitting laser diodes are attracting attention because of the great advantages that can be obtained by integrating them with a single chip together with other electronic circuits.

しかし、通常、例えばLED内部の光の大部分は、半導体と空気の間の屈折率が大きく異なるために半導体内に閉じ込められてしまい、光取出し効率が低下して、出力を改善する障害となっている。   However, usually, for example, most of the light inside the LED is confined in the semiconductor because the refractive index between the semiconductor and air is greatly different, which reduces the light extraction efficiency and becomes an obstacle to improving the output. ing.

この光取出し効率が低下する問題を克服するために、いくつかの方法が報告されている。そのひとつに、フォトニック結晶(PhC)などの周期的な構造におけるブラッグ回折を使用することがある。さらに、二次のブラッグ回折を伴う二次元(2D)のPhCを使用することであり、この方法では、面放射レーザ(SEL)を実現することができる(特許文献1)。   Several methods have been reported to overcome this problem of reducing light extraction efficiency. One of them is to use Bragg diffraction in a periodic structure such as a photonic crystal (PhC). Further, two-dimensional (2D) PhC with second-order Bragg diffraction is used, and in this method, a surface emitting laser (SEL) can be realized (Patent Document 1).

このような事から、2D−PhCsは次の世代のLEDとSELの有望な候補であると言える。しかし、欠点としては、2D−PhC装置のための製造プロセスは複雑である、ということがある。2D−PhCを用いた発光素子では、電流注入で作動させる必要があるためである。つまり、よく知られているように、製造プロセスでは一般的にドライエッチングが使用されるが、PhCsを作る際にプロセスダメージが発生して、無駄な電流が増え発光効率が低下する。   Therefore, it can be said that 2D-PhCs is a promising candidate for the next generation of LEDs and SELs. However, the disadvantage is that the manufacturing process for 2D-PhC devices is complex. This is because a light-emitting element using 2D-PhC needs to be operated by current injection. That is, as is well known, dry etching is generally used in the manufacturing process. However, process damage occurs when producing PhCs, and wasteful current increases, resulting in a decrease in luminous efficiency.

この問題を避ける方法として、活性層と完全に切り離して2D−PhCを形成し、後に活性層とウェハ融合する方法が報告されている。しかし、本発明はウェハ融合を用いたものではなく、その構造も異なっているため、ここでは詳述しない。   As a method for avoiding this problem, a method of forming 2D-PhC completely separated from the active layer and then fusing the wafer with the active layer has been reported. However, since the present invention does not use wafer fusion and the structure is different, it will not be described in detail here.

[従来例1]
特許文献1に開示された半導体発光デバイスは、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層と、活性層と、フォトニックバンド層と、光放出面とを備え、フォトニックバンド層はフォトニックバンド構造を有するものである。このフォトニックバンド層は、活性層と光学的に結合され、基板の主面が伸びる方向に沿って設けられている。
[Conventional example 1]
The semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1 includes a first conductive type semiconductor layer, a second conductive type semiconductor layer, an active layer, a photonic band layer, and a light emission surface. It has a photonic band structure. The photonic band layer is optically coupled to the active layer and is provided along the direction in which the main surface of the substrate extends.

[従来例2]
特許文献2には、2次元フォトニック結晶面発光レーザ、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が開示されている。
[Conventional example 2]
Patent Document 2 includes a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, particularly a photonic crystal periodic structure in which a refractive index period is two-dimensionally arranged in or near an active layer that emits light by carrier injection. A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that emits surface light by resonating with a nick crystal is disclosed.

しかし、上記の特許文献1に開示された半導体発光デバイスは、フォトニックバンド層の上に更に活性層をエピタキシャル成長させるものであり、複雑な工程を用いている。   However, the semiconductor light emitting device disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 is such that an active layer is further epitaxially grown on the photonic band layer, and a complicated process is used.

また、特許文献2に開示された2次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶を取り囲む領域に電極を設けており、活性層に電流を均一に供給することができない。
特開2000−332351号公報 特開2003−273456号公報
Further, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser disclosed in Patent Document 2, an electrode is provided in a region surrounding the photonic crystal, and current cannot be supplied uniformly to the active layer.
JP 2000-332351 A JP 2003-273456 A

従来のフォトニック結晶を用いた面出力型の半導体光デバイスの構造を簡単にして製造し易くするとともに、活性層領域に均一な電流供給を行なう。さらに発光デバイスとして用いるのみでなく、光増幅デバイスとしても用いる。   The structure of a conventional surface output type semiconductor optical device using a photonic crystal is simplified and easily manufactured, and a uniform current is supplied to the active layer region. Furthermore, it is used not only as a light emitting device but also as an optical amplification device.

この発明により、従来の製造工程に比べて、フォトニック結晶部分の製造プロセスが簡略化できる。また、フォトニック結晶部分を電極として用いるため、活性層領域への電流供給を均一にすることができる。また、その構造上外部からの光の入力も容易に出来るので、光増幅デバイスとしても用いることができる。   According to the present invention, the manufacturing process of the photonic crystal portion can be simplified as compared with the conventional manufacturing process. Further, since the photonic crystal portion is used as an electrode, the current supply to the active layer region can be made uniform. In addition, because of its structure, it is possible to easily input light from the outside, so that it can be used as an optical amplification device.

まず、本発明は、半導体基板と、上記の半導体基板上に形成され光学遷移が起こる活性層領域と、上記の活性層領域に形成した導波路と、上記の活性層領域に電流を供給する電極と、を備え、半導体基板表面に沿った導波路をもち、導波路に垂直方向の成分を含む光を出力する半導体光素子に関するものである。   First, the present invention relates to a semiconductor substrate, an active layer region formed on the semiconductor substrate and causing an optical transition, a waveguide formed in the active layer region, and an electrode for supplying current to the active layer region. And a semiconductor optical device having a waveguide along the surface of the semiconductor substrate and outputting light including a component in a direction perpendicular to the waveguide.

上記の半導体光素子において、上記の電極はフォトニック結晶を構成するものでもある。これは、互いに電気的に接続された導電性の物質で構成し、2次元の周期性のある形状をもつようにして、上記の半導体光素子の導波路の近傍で導波路に沿って形成する。上記の電極は、上記の活性層領域に電気的に接続する。この電極は、上記の導波路を伝搬する光波に、フォトニック結晶として作用して導波路に垂直な方向に光を導くものであり、上記の2次元の周期性のある形状における周期は、そのフォトニック結晶によって実現されるフォトニックバンドの2次のガンマ点の波長が発光波長と同一になるように決定する。また、上記の電極と半導体基板間に電流を流して、上記の活性層領域に給電する。   In the above-mentioned semiconductor optical device, the above-mentioned electrode also constitutes a photonic crystal. This is composed of conductive substances electrically connected to each other, and has a two-dimensional periodic shape, and is formed along the waveguide in the vicinity of the waveguide of the semiconductor optical device. . The electrode is electrically connected to the active layer region. This electrode acts as a photonic crystal to guide light in the direction perpendicular to the waveguide to the light wave propagating through the waveguide, and the period in the two-dimensional periodic shape is The wavelength of the secondary gamma point of the photonic band realized by the photonic crystal is determined to be the same as the emission wavelength. Further, a current is supplied between the electrode and the semiconductor substrate to supply power to the active layer region.

上記の2次元周期性を持つ形状におけるその周期Δの設計指針は大凡使用波長(λo)と同程度となるようにすれば良い。但し、使用波長おける導波路の等価屈折率(ne)を考慮して計算しなければならない。従ってΔ≒λo/neである。この周期Δを満たした場合、導波路を導波する光が周期Δの定在波を形成する。但し、この指針は1次元における2次の回折を使う分布帰還形型共振器の設計と同じであり、2次元に起こる導波及び回折現象全てを厳密に取り扱ってはいない。従って厳密に計算する際には、2次元平面に展開される全ての光波の干渉を記述出来る方法で行う。例えば平面波展開法による波数空間でのフォトニックバンド構造計算や、FDTD法(Finite Difference Time Domain Method)による電磁界解析等で精度良く計算できる。 The design guideline for the period Δ in the shape having the above two-dimensional periodicity may be approximately the same as the used wavelength (λ o ). However, it must be calculated in consideration of the equivalent refractive index ( ne ) of the waveguide at the wavelength used. It is therefore Δ ≒ λ o / n e. When this period Δ is satisfied, the light guided through the waveguide forms a standing wave having the period Δ. However, this guideline is the same as the design of the distributed feedback type resonator using the second-order diffraction in one dimension, and does not strictly handle all the waveguiding and diffraction phenomena that occur in two dimensions. Therefore, when calculating strictly, it is performed by a method that can describe the interference of all the light waves developed on the two-dimensional plane. For example, it can be calculated with high accuracy by photonic band structure calculation in wave number space by plane wave expansion method, electromagnetic field analysis by FDTD method (Finite Difference Time Domain Method) and the like.

また、上記の電極は、電流を供給するために導電率の高い物質で形成することが望ましいが、光の周波数領域での誘電損失の比較的小さい物質の導電率は一般に低いので、上記の電極を2層の導電層を含む構造とし、上記の導波路から比較的近い部分に導電率の比較的小さい物質を用い、比較的遠い部分に導電率の比較的大きい物質を用いた多層構造の電極で構成する。   In addition, it is desirable to form the electrode with a material having a high conductivity in order to supply a current. However, since the conductivity of a material with a relatively low dielectric loss in the frequency region of light is generally low, A multi-layered electrode using a material having a relatively low conductivity at a portion relatively close to the waveguide and a material having a relatively high conductivity at a relatively far portion. Consists of.

また、上記の電極の材料としては金属を用いる。   In addition, a metal is used as the material of the electrode.

また、上記の活性層領域は、レーザ発振や光増幅を行なうために、誘導放出による電子遷移を主とする領域であるとする。   In addition, the active layer region is a region mainly including electron transition by stimulated emission in order to perform laser oscillation and optical amplification.

あるいは、上記の活性層領域は、発光ダイオードをなすために、自然放出による電子遷移を主とする領域であるとする。   Alternatively, it is assumed that the active layer region is a region mainly composed of electron transition due to spontaneous emission in order to form a light emitting diode.

また、本発明は、光増幅器を構成するために、外部からの光を上記の導波路に入力する入射導波路をさらに備え、入力した光を上記の活性層領域で増幅して出力するものとする。   In addition, the present invention further includes an incident waveguide for inputting light from the outside to the above-described waveguide to constitute an optical amplifier, and the input light is amplified and output by the above-mentioned active layer region. To do.

また、本発明は、上記の入射導波路からの光を、上記の電極を通して上記の導波路に入力する構成を備えるものである。   Moreover, this invention is equipped with the structure which inputs the light from said incident waveguide into said waveguide through said electrode.

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following description, devices having the same function or similar functions are denoted by the same reference numerals unless there is a special reason.

図1に、本発明の半導体光デバイスの模式図を示す。これは、LED(発光ダイオード)や半導体レーザを指向するものである。この半導体光デバイスは、N型半導体基板1上に、活性層領域2と、活性層領域2に電流を供給する電極4と、を備えている。活性層領域2は、クラッド層であるP型領域2a、N型領域2bと、導波路領域3を備えている。N型領域2bはN型基板に電気的に接続されており、また、P型領域2aは電極4に電気的に接続されている。また、電極4には配線パッド5が接続されており、配線パッド5とN型基板1間に順方向の電圧を印加する。ここで、電極4は、表面に広がる2次元のフォトニック結晶を構成しており、その周期は、上記の様に、出力しようとする光の波長の同程度となるようにすれば良い。但し、使用波長おける導波路の等価屈折率(ne)を考慮して計算しなければならない。従ってΔ≒λo/neである。この周期Δを満たした場合、導波路を導波する光が周期Δの定在波を形成する。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a semiconductor optical device of the present invention. This is intended for LEDs (light emitting diodes) and semiconductor lasers. This semiconductor optical device includes an active layer region 2 and an electrode 4 for supplying current to the active layer region 2 on an N-type semiconductor substrate 1. The active layer region 2 includes a P-type region 2a, an N-type region 2b, which are cladding layers, and a waveguide region 3. N-type region 2 b is electrically connected to the N-type substrate, and P-type region 2 a is electrically connected to electrode 4. A wiring pad 5 is connected to the electrode 4, and a forward voltage is applied between the wiring pad 5 and the N-type substrate 1. Here, the electrode 4 constitutes a two-dimensional photonic crystal spreading on the surface, and the period may be set to be approximately the same as the wavelength of light to be output as described above. However, it must be calculated in consideration of the equivalent refractive index ( ne ) of the waveguide at the wavelength used. It is therefore Δ ≒ λ o / n e. When this period Δ is satisfied, the light guided through the waveguide forms a standing wave having the period Δ.

半導体のPN極性、及び電源6の電圧印加方向を入れ換えることで、同様な機能を持たせることが可能であることは明らかである。また、N型領域2bの機能をN型半導体基板1で済ますことが可能である場合は、これを設けなくてもよい。   It is obvious that the same function can be provided by switching the PN polarity of the semiconductor and the voltage application direction of the power source 6. If the function of the N-type region 2b can be performed by the N-type semiconductor substrate 1, this need not be provided.

導波路領域3は、図2(a)に示すように、PN接合でもよいし、図2(b)に示すように量子井戸を用いて構成してもよい。さらに、図2(c)の様に、量子ドットを用いたものや、図2(d)のように多重量子井戸を用いて構成してもよい。要は、発光作用あるいは光増幅作用をもった構成を有することである。   The waveguide region 3 may be a PN junction as shown in FIG. 2 (a), or may be configured using a quantum well as shown in FIG. 2 (b). Further, a configuration using quantum dots as shown in FIG. 2C or a configuration using multiple quantum wells as shown in FIG. The point is to have a structure having a light emitting action or a light amplifying action.

活性層領域2の端面は空気と接しており、誘電率の違いから光を反射する機能を備えているが、さらに完全な反射を求める場合には、端面に光を反射する手段を設けてもよい。光の反射には、金属膜や多層誘電体膜が有効であることが知られている。   The end surface of the active layer region 2 is in contact with air and has a function of reflecting light due to the difference in dielectric constant. However, when more complete reflection is required, a means for reflecting light may be provided on the end surface. Good. It is known that metal films and multilayer dielectric films are effective for reflecting light.

電極4は、例えば、図3(a)〜(d)に示す様にリフトオフプロセスによって形成することができる。リフトオフプロセスの特徴は、プロセスダメージが少ないことである。
(a)まず、P型領域2aにレジストパターン10を形成する。
(b)Ti(チタン)層11と金層12をリフトオフプロセスが可能な厚さに形成する。
(c)レジスト層を除去して電極パターンを残す。
(d)必要に応じて保護膜13を形成する。
ここで、Ti層11は密着層として働く。また金層12は、電流供給層として働く。必要に応じてさらにこの上に、あるいは金層に代わって、銀層やアルミニウム層を形成してもよい。
The electrode 4 can be formed by, for example, a lift-off process as shown in FIGS. The feature of the lift-off process is that the process damage is small.
(A) First, a resist pattern 10 is formed in the P-type region 2a.
(B) The Ti (titanium) layer 11 and the gold layer 12 are formed to a thickness capable of a lift-off process.
(C) The resist layer is removed to leave an electrode pattern.
(D) A protective film 13 is formed as necessary.
Here, the Ti layer 11 functions as an adhesion layer. The gold layer 12 serves as a current supply layer. If necessary, a silver layer or an aluminum layer may be formed thereon or in place of the gold layer.

上記の様に形成した電極により、導波路の有効屈折率が僅かに変わる。本発明の肝要な点は、この有効屈折率が変化することで、導波路にフォトニック結晶としての効果が及ぶことである。平面波展開法を用いたシミュレーションによれは、金属の有り無しで、計算される導波路の有効屈折率差が0.1%以上あれば、フォトニックバンド構造に有意なバンド開きを確認することができる。このため、導波路計算時に有効屈折率差を少なくとも0.1%以上取れる設計をすればよいことが分かる。   The electrode formed as described above slightly changes the effective refractive index of the waveguide. The important point of the present invention is that the effect as a photonic crystal reaches the waveguide by changing the effective refractive index. According to the simulation using the plane wave expansion method, a significant band gap can be confirmed in the photonic band structure if the calculated effective refractive index difference of the waveguide is 0.1% or more with and without metal. For this reason, it can be seen that it is sufficient to design at least 0.1% or more of the effective refractive index difference when calculating the waveguide.

図3の半導体光デバイスは、光増幅素子を指向するもので、入射導波路である光ファイバ9からの光を活性層領域2に低損失で導入するための整合領域8を備えている。図3に示す整合領域8は、電極4と同時に形成するグレーティングで、この整合領域に電流を供給するための配線7を備えている。光ファイバ9からの光を活性層領域2に低損失で導入するには、導波路領域3に捕捉されるように、表面に対して斜めに入射する。ここで、整合領域8は、光の入射効率を改善するためのものであり、入射時の損失が無視できるときにはこれを用いる必要はない。この場合でも、入射は臨界角以内で行えばよいので、従来の縦型共振器の面発光レーザに比べて、緩い制限で入射を行なうことができる。また、活性層領域2の端面から光を入射しても光増幅を行なうことが出来ることは明らかである。   The semiconductor optical device of FIG. 3 is directed to the optical amplifying element, and includes a matching region 8 for introducing light from the optical fiber 9 that is an incident waveguide into the active layer region 2 with low loss. The matching region 8 shown in FIG. 3 is a grating formed at the same time as the electrode 4 and includes a wiring 7 for supplying a current to the matching region. In order to introduce light from the optical fiber 9 into the active layer region 2 with low loss, the light is incident obliquely on the surface so as to be captured by the waveguide region 3. Here, the matching region 8 is for improving the incident efficiency of light, and it is not necessary to use this when the loss at the time of incidence can be ignored. Even in this case, since it is sufficient that the incidence is performed within the critical angle, the incidence can be performed with a gentler limit as compared with the surface emitting laser of the conventional vertical resonator. Further, it is clear that optical amplification can be performed even if light is incident from the end face of the active layer region 2.

本発明は、図1に示す電流励起のほかに光励起によっても動作させることが可能である。以下に、スラブ型(1次元型)導波モードを持つ半導体ヘテロ接合を結晶成長により作製した導波路領域の場合について説明する。   The present invention can be operated by light excitation in addition to the current excitation shown in FIG. The case of a waveguide region in which a semiconductor heterojunction having a slab type (one-dimensional type) waveguide mode is produced by crystal growth will be described below.

6の周期のIn0.2Ga0.8Sb/Al0.3Ga0.7Sb(厚さ=4.5nm/20nm)のマルチ量子井戸(MQWs)を活性層用の物質として使用した。MQWsは厚いAlSb下側のクラッド層の上に成長し、次に、100nmのAl0.3Ga0.7Sb上部クラッド層を上記のMQW層の上に分子ビームエピタキシ(MBE)によって成長した。MQWのある位置では、スラブ導波路構造を持っており、そして、光学モードがわずかなに表面に浸み出している。MBE成長の後に、電子ビームリソグラフィー(EBL)で100μm×100μmの2D金属PhCsパターンを作製した。そのEBLパターン上にTi/Au(厚さ=50Å/500Å)のデポジションし、リフトオフプロセスによって2D金属PhCsを製作した。製作した2D金属PhCsの走査電子顕微鏡検査写真を図5(a)に示す。 A multi-quantum well (MQWs) of 6 cycles of In 0.2 Ga 0.8 Sb / Al 0.3 Ga 0.7 Sb (thickness = 4.5 nm / 20 nm) was used as the material for the active layer. MQWs were grown on the thick AlSb lower cladding layer, and then a 100 nm Al 0.3 Ga 0.7 Sb upper cladding layer was grown on the MQW layer by molecular beam epitaxy (MBE). At some MQW locations, it has a slab waveguide structure and the optical mode is slightly oozing out to the surface. After MBE growth, a 100 μm × 100 μm 2D metal PhCs pattern was fabricated by electron beam lithography (EBL). Ti / Au (thickness = 50 mm / 500 mm) was deposited on the EBL pattern, and 2D metal PhCs was fabricated by a lift-off process. FIG. 5A shows a scanning electron microscopic photograph of the produced 2D metal PhCs.

このようにして作られた2D金属PhCsの平均格子定数(Lc)を表1に示す。
Table 1 shows the average lattice constant (Lc) of the 2D metal PhCs thus produced.

2D金属PhCsのサイズは、2D金属PhCsの2次のガンマ端の周波数をMQWsからの光ルミネセンス(PL)スペクトルの周波数に合わせて決定した。PL測定値が0.5の開口数がある対物鏡によって532nmの連続波レーザを集光した状態で、2D金属PhCsの光学的性質を調査した。PLは室温で測定した。   The size of the 2D metal PhCs was determined by matching the frequency of the secondary gamma edge of the 2D metal PhCs with the frequency of the photoluminescence (PL) spectrum from the MQWs. The optical properties of 2D metal PhCs were investigated with a 532 nm continuous wave laser focused by an objective mirror with a numerical aperture of 0.5 PL. PL was measured at room temperature.

このPhCsは格子定数の0.3倍のサイズの正方格子から成る。ここで、TEモードのフォトニックバンド構造は、Ti/Auの有り無しについて、スラブ導波路の実効屈折率nが変化するので、これを基に計算した。つまり、表面上に金属があるときは、nは、金属がない場合よりわずかに小さい。PhCsを実現するにあたって、前記大小2つの屈折率が、屈折率コントラストとなる。また、TEモードのフォトニックバンドダイヤグラムを図5(c)に示す。これは、計算によるもので、この計算は平面波展開法を用いて行った。   The PhCs consists of a square lattice having a size 0.3 times the lattice constant. Here, the TE-mode photonic band structure was calculated based on the effective refractive index n of the slab waveguide depending on whether Ti / Au was present or not. That is, when there is a metal on the surface, n is slightly smaller than when there is no metal. In realizing PhCs, the two large and small refractive indexes become the refractive index contrast. Further, a photonic band diagram of the TE mode is shown in FIG. This is based on calculation, and this calculation was performed using the plane wave expansion method.

PLの測定結果を図6に示す。図6は2D金属PhCsについて、パターンの有/無に従った(図2では、W/O PhCで示す)10mW励振でのPL結果を示す。およそ0.28−0.282(図6の挿入)で2D金属PhCsの周期を変えたときに、2D金属PhCsからのPLピーク位置は基準周波数(Lc/La)(但し、Lcは2D金属PhCsの平均格子定数、Laは自由空間での光の波長)に対して変化した。これらは0.287(Lc/La)のフォトニックバンド構造の計算した2次のガンマ端よりわずかに低い値である。しかし、食い違いは数パーセント以内である。これは、上記の計算方法が妥当であることを意味しており、金属の周期的な構造を用いたフォトニック結晶が有効であることを示している。また、2D金属PhCsは、実際の励振パワーをおよそ半分減少させている。これは、2D金属PhCsが単位パターンあたり51%を占めているためである。しかし、2D金属PhCsの有りの場合は、無しの場合よりPLピーク強度は強い。これらの現象は、ブラッグ回折が外部の量子効率を増加させたことを示している。   The measurement result of PL is shown in FIG. FIG. 6 shows the PL results for 2D metal PhCs with 10 mW excitation according to the presence / absence of the pattern (indicated as W / O PhC in FIG. 2). When the period of 2D metal PhCs is changed by about 0.28-0.282 (insertion in FIG. 6), the PL peak position from 2D metal PhCs is the reference frequency (Lc / La) (where Lc is 2D metal PhCs). The average lattice constant of La changed with respect to the wavelength of light in free space. These values are slightly lower than the calculated second order gamma edge of the photonic band structure of 0.287 (Lc / La). However, the discrepancy is within a few percent. This means that the above calculation method is appropriate, and it shows that a photonic crystal using a metal periodic structure is effective. In addition, 2D metal PhCs reduces the actual excitation power by approximately half. This is because 2D metal PhCs occupies 51% per unit pattern. However, the PL peak intensity is stronger when 2D metal PhCs is present than when it is absent. These phenomena indicate that Bragg diffraction has increased external quantum efficiency.

増加率はサンプルeの場合およそ4である。(PL強度比×実際の励振パワー比)。また、2次ガンマバンド端からの光増幅を観測した。これは、バンド端において光は遅い群速度をもち、これから期待できる光増幅でレーザ動作が可能になる。このため、サンプルeについて、光増幅を明らかにするべく、励起強度に依存するPLを測定した。結果を図7に示す。入力パワーが16から17mWのときに図7の出力特性の傾きに飛びがあり、増幅作用の現れる閾値を得ることができる。これから、2D金属PhCで2次のガンマバンド端の遅い群速度に従ったPL強度増幅を観測することができた。他方では、すべてのサンプルの広いPLスペクトルを得た。これらの広いPLスペクトルは、図5(a)に示す様に、おそらく2D金属PhCの構造での変動に関連している。2D金属PhCの周期の変動は8パーセント程度である。この周期の変動は、ほぼPLの半値全幅(FWHM)に一致するフォトニックバンド構造に影響した。別の可能性は金属の効果である。金属として扱われた2D金属PhCは、光学空洞として動作したが、金属は光の損失を引き起こした。光学空洞では、FWHMは品質(Q)要素を反映する。そのQ要素は、空洞で散逸するパワーの空洞に蓄えられた場のエネルギーの比率によって定義される。従って、2D金属PhCは、光学的損失となる材料を含まない従来のものより低いQ要素を示す。   The increase rate is approximately 4 for sample e. (PL intensity ratio × actual excitation power ratio). In addition, optical amplification from the edge of the secondary gamma band was observed. This is because light has a slow group velocity at the band edge, and laser operation is possible with optical amplification that can be expected from now on. Therefore, for sample e, PL that depends on the excitation intensity was measured in order to clarify the optical amplification. The results are shown in FIG. When the input power is 16 to 17 mW, there is a jump in the slope of the output characteristic in FIG. 7, and a threshold value at which an amplification action appears can be obtained. From this, it was possible to observe the PL intensity amplification according to the slow group velocity at the second-order gamma band edge with the 2D metal PhC. On the other hand, broad PL spectra of all samples were obtained. These broad PL spectra are probably related to variations in the structure of 2D metal PhC, as shown in FIG. 5 (a). The fluctuation of the period of 2D metal PhC is about 8%. This period variation affected the photonic band structure that approximately matched the full width at half maximum (FWHM) of PL. Another possibility is the metal effect. Although 2D metal PhC treated as metal operated as an optical cavity, the metal caused loss of light. In the optical cavity, the FWHM reflects the quality (Q) factor. The Q factor is defined by the proportion of field energy stored in the cavity of power dissipated in the cavity. Thus, 2D metal PhC exhibits a lower Q factor than conventional ones that do not include materials that are optically lossy.

金属領域との光学モード(TE)オーバラップは0.07%であるにすぎないが、金属による光の損失は低い。実際には、金属による光の損失を無視することができる。従って、正確な2D金属PhCを作ると、FWHMを狭くできるので、レーザ動作を可能にする。   Although the optical mode (TE) overlap with the metal region is only 0.07%, the loss of light by the metal is low. In practice, the loss of light due to the metal can be ignored. Therefore, if an accurate 2D metal PhC is made, the FWHM can be narrowed, thereby enabling laser operation.

また、MQWsの位置が金属に近くできる場合は、光学モードオーバラップは増加し、そして、金属導波路の実効屈折率nは減少する。この効果(オーバラップ)は金属で光の損失を増加させるが、後の効果(実効屈折率nの減少)は、金属のあるなしに係わらずスラブ導波路間のより大きいnコントラストが生じ、より良い光学空洞を形成し、フォトニックバンドギャップを増加させる。従って、前記のレーザ動作のためには、それらのバランスを最適化することが望ましい。   Also, if the MQWs position can be close to the metal, the optical mode overlap increases and the effective refractive index n of the metal waveguide decreases. This effect (overlap) increases the loss of light at the metal, but the later effect (decrease in the effective refractive index n) results in a greater n contrast between the slab waveguides with or without the metal, and more Create good optical cavities and increase photonic band gap. Therefore, it is desirable to optimize the balance for the laser operation.

本発明の半導体光デバイスを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the semiconductor optical device of this invention. 活性層領域の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of an active layer area | region. フォトニック結晶である電極の形成プロセスを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the formation process of the electrode which is a photonic crystal. 光増幅を行なう半導体光デバイスを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the semiconductor optical device which performs optical amplification. (a)は、製作した2D金属PhCsの走査電子顕微鏡検査写真、(b)は、インデクスを、(c)は、バンド図を示す。(A) is a scanning electron micrograph of the produced 2D metal PhCs, (b) is an index, and (c) is a band diagram. 光ルミネセンス(PL)の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of photoluminescence (PL). 光ルミネセンスでの増幅作用を示す図である。It is a figure which shows the amplification effect | action in photoluminescence.

符号の説明Explanation of symbols

1 N型半導体基板
2 活性層領域
2a P型領域
2b N型領域
3 導波路領域
4 電極
5 配線パッド
6 電源
7 配線
8 整合領域
9 光ファイバ
10 レジストパターン
11 Ti(チタン)層
12 金層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 N type semiconductor substrate 2 Active layer area | region 2a P type area | region 2b N type area | region 3 Waveguide area | region 4 Electrode 5 Wiring pad 6 Power supply 7 Wiring 8 Matching area | region 9 Optical fiber 10 Resist pattern 11 Ti (titanium) layer 12 Gold layer

Claims (7)

半導体基板と、
上記の半導体基板上に形成され光学遷移が起こる活性層領域と、
上記の活性層領域に形成した導波路と、
上記の活性層領域に電流を供給する電極と、を備え、半導体基板表面に沿った導波路をもち、導波路に垂直方向の成分を含む光を出力する半導体光素子であって、
上記の電極は、互いに電気的に接続された導電性の物質で構成され、2次元の周期性のある形状をもち、上記の半導体光素子の導波路の近傍で導波路に沿って形成され、上記の活性層領域に電気的に接続され、上記の導波路を伝搬する光波に、フォトニック結晶として作用して導波路に垂直な方向に目的とする光を導くものであり、
上記の電極と半導体基板間に電流を流して、上記の活性層領域に給電することを特徴とする半導体光デバイス。
A semiconductor substrate;
An active layer region formed on the semiconductor substrate and causing optical transition;
A waveguide formed in the active layer region,
An electrode for supplying current to the active layer region, a semiconductor optical device having a waveguide along the surface of the semiconductor substrate and outputting light including a component in a direction perpendicular to the waveguide,
The electrode is composed of conductive substances electrically connected to each other, has a two-dimensional periodic shape, and is formed along the waveguide in the vicinity of the waveguide of the semiconductor optical element. It is electrically connected to the active layer region, and acts as a photonic crystal on the light wave propagating through the waveguide to guide the target light in a direction perpendicular to the waveguide.
A semiconductor optical device, wherein a current is passed between the electrode and the semiconductor substrate to supply power to the active layer region.
上記の電極は、2層の導電層を含む構造であって、上記の導波路から比較的近い部分に導電率の比較的小さい物質を用い、比較的遠い部分に導電率の比較的大きい物質を用いた多層構造の電極で構成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体光デバイス。   The electrode has a structure including two conductive layers, and a material having a relatively low conductivity is used in a portion relatively close to the waveguide, and a material having a relatively high conductivity is used in a relatively far portion. 2. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical device is composed of an electrode having a multilayer structure. 上記の電極の材料は金属であることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の半導体光デバイス。   3. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the electrode material is a metal. 上記の活性層領域は、誘導放出による電子遷移を主とする領域であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体光デバイス。   4. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the active layer region is a region mainly composed of electron transition by stimulated emission. 上記の活性層領域は、自然放出による電子遷移を主とする領域であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体光デバイス。   4. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the active layer region is a region mainly including electron transition by spontaneous emission. 外部からの光を上記の導波路に入力する入射導波路をさらに備え、入力した光を上記の活性層領域で増幅して出力することを特徴とする請求項4に記載の半導体光デバイス。   5. The semiconductor optical device according to claim 4, further comprising an incident waveguide for inputting light from the outside to the waveguide, and amplifying the input light in the active layer region and outputting the amplified light. 上記の入射導波路からの光を、上記の電極を通して上記の導波路に入力する構成を備えることを特徴とする請求項6に記載の半導体光デバイス。   The semiconductor optical device according to claim 6, further comprising a configuration for inputting light from the incident waveguide to the waveguide through the electrode.
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