JP2009231773A - Photonic crystal face emission laser element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、サブバンド間遷移を用いた活性層を備えるフォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a photonic crystal surface emitting laser element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a photonic crystal surface emitting laser element including an active layer using intersubband transition and a manufacturing method thereof.
近年、中赤外からテラヘルツ帯にわたる長波長領域のレーザ光を出射するレーザ素子として、サブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザが提案されている(たとえば、非特許文献1および非特許文献2参照)。上述した量子カスケードレーザでは、2種以上の半導体材料からなる超格子構造を作成し、当該超格子構造内に形成されるサブバンド間遷移を利用して長波長領域のレーザ光を得ることができるとされている。
In recent years, quantum cascade lasers using intersubband transitions have been proposed as laser elements that emit laser light in a long wavelength range from the mid-infrared to the terahertz band (see, for example, Non-Patent
たとえば、非特許文献1では、レーザ共振器としてファブリペロー共振器を利用した量子カスケードレーザが開示されている。
For example, Non-Patent
また、非特許文献2では、2種類以上の半導体材料からなる超格子構造を用いた量子カスケードレーザ構造に対して、素子表面から活性層まで貫通する空気孔を周期的に並べたフォトニック結晶構造を形成した素子が提案されている。当該素子は、フォトニック結晶構造内に空気孔の欠損による格子欠陥を導入することで、その格子欠陥中に局在したモードを利用して素子表面に垂直な方向にレーザ発振を起こさせている、欠陥型フォトニック結晶量子カスケードレーザである。
Further, in
また、上述したフォトニック結晶構造を用いた面発光レーザ素子としては、たとえば特許文献1に開示されている。
上述した非特許文献1に開示されたレーザ素子は、ファブリペロー共振器を用いることからマルチモード発振の素子であり、レーザの発振波長を単一に制御することが困難である。
The laser element disclosed in
また、上述した非特許文献2に開示されたレーザ素子は、欠陥部に強く局在モードを閉じ込める必要があることから、活性層での発光とフォトニック結晶の光結合の強さとを極大化する必要があるため、フォトニック結晶の空気孔が活性層にまで到達している構造となっている。この結果、レーザ光の発振は極低温環境下のみで起こり、たとえば室温などではレーザ光の発振は難しい。これは、活性層中に空気孔の露出側壁が多数存在することになり、室温においてはその露出面においてキャリアの非発光再結合が非常に起こりやすくなる(表面再結合速度が非常に速い)ためである。このため、非特許文献2に開示されたレーザ素子において発光及び発振を実現するには、表面再結合速度を小さくするために、素子全体を液体ヘリウム温度(4K)程度の極低温に冷却する必要がある。そのため、非特許文献2に開示されたレーザ素子では室温での使用は難しく、現実の応用が困難である。
Further, since the laser element disclosed in
また、非特許文献2に開示された欠陥型フォトニック結晶量子カスケードレーザの場合、欠陥部に強く局在モードを閉じ込めるには、欠陥部自体の体積を波長レベルまで極小化する必要がある。このため局在する光の量を大きくすることが難しいことから、高出力のレーザ発振は困難考えられる。また例え高出力の発振に成功した場合でも、出射される光は非常に狭い欠陥表面部から出射されるため、この欠陥表面部に光集中が起こって端面破壊現象(CODと呼ばれる突然死現象)を容易に引き起こす可能性がある。このため、信頼性の高い素子を作ることは困難であった。
Further, in the case of the defect type photonic crystal quantum cascade laser disclosed in
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、室温でも発振可能な、高い信頼性を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable photonic crystal surface emitting laser element capable of oscillating even at room temperature and a method for manufacturing the same. Is to provide.
この発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子は、サブバンド間遷移を用いた活性層と、第1導電型の半導体層と、2次元回折格子とを備える。半導体層は、活性層を挟むように配置される。2次元回折格子は、半導体層と積層され、活性層と独立している。 A photonic crystal surface emitting laser element according to the present invention includes an active layer using intersubband transition, a first conductivity type semiconductor layer, and a two-dimensional diffraction grating. The semiconductor layer is disposed so as to sandwich the active layer. The two-dimensional diffraction grating is laminated with the semiconductor layer and independent of the active layer.
このようにすれば、フォトニック結晶層である2次元回折格子が活性層と独立して形成されているため、当該2次元回折格子を構成する凹部(空気孔)などが活性層にまで到達する場合のように活性層が当該凹部の形成により損傷を受けたり空気中に露出することがない。そのため、2次元回折格子の凹部が活性層に到達している場合よりキャリアの非発光配結合が起こりにくくなるため、活性層において室温での十分な発光を実現できる。また、2次元回折格子を利用することで、容易に単一波長(シングルモード)のレーザ光を発振させることができる。 In this way, since the two-dimensional diffraction grating, which is a photonic crystal layer, is formed independently of the active layer, the recesses (air holes) that constitute the two-dimensional diffraction grating reach the active layer. As in the case, the active layer is not damaged or exposed to the air due to the formation of the recess. Therefore, non-radiative bonding of carriers is less likely to occur than when the concave portion of the two-dimensional diffraction grating reaches the active layer, so that sufficient light emission at room temperature can be realized in the active layer. Further, by using a two-dimensional diffraction grating, it is possible to easily oscillate laser light having a single wavelength (single mode).
さらに、2次元回折格子を利用して面発光させるため、非特許文献2に示されたレーザ素子のように端面破壊現象が起こる可能性が低く、高い信頼性を実現できる。
Furthermore, since surface emission is performed using a two-dimensional diffraction grating, unlike the laser element shown in Non-Patent
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、活性層と2次元回折格子との間は1μm以上離れていることが好ましい。この場合、活性層と2次元回折格子とが十分離れて配置されることから、活性層への2次元回折格子の影響を抑制し、高い信頼性のレーザ素子を実現できる。 In the photonic crystal surface emitting laser element, the active layer and the two-dimensional diffraction grating are preferably separated by 1 μm or more. In this case, since the active layer and the two-dimensional diffraction grating are disposed sufficiently apart from each other, the influence of the two-dimensional diffraction grating on the active layer can be suppressed and a highly reliable laser element can be realized.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、活性層は、半導体からなる薄膜を積層した超格子構造であって、複数の階段状サブバンド構造を有する量子カスケード構造を含んでいてもよい。このようにすれば、活性層において階段状のポテンシャルを形成でき、薄膜の組成や膜厚を制御することによりレーザ光の発振波長などを制御することができる。 In the photonic crystal surface emitting laser element, the active layer has a superlattice structure in which thin films made of semiconductors are stacked, and may include a quantum cascade structure having a plurality of stepped subband structures. In this way, a step-like potential can be formed in the active layer, and the oscillation wavelength of the laser light can be controlled by controlling the composition and thickness of the thin film.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、出射されるレーザ光の出射方向は、活性層の主表面に対して垂直な方向であってもよい。 In the photonic crystal surface emitting laser element, the emitted laser light may be emitted in a direction perpendicular to the main surface of the active layer.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、出射されるレーザ光の波長は1.6μm以上1mm以下である(すなわち出射されるレーザ光は赤外域もしくはテラヘルツ帯域レーザ光である)ことが好ましい。この場合、特にサブバンド間遷移を用いた活性層を用いた本発明によるレーザ素子は、上述した波長のレーザ光を出射するレーザ素子として優れた特性(すなわち室温での高い信頼性での発振)を示すことから、上述した波長域のレーザ光の光源として優れている。 In the photonic crystal surface emitting laser element, the wavelength of the emitted laser light is preferably 1.6 μm or more and 1 mm or less (that is, the emitted laser light is an infrared region or a terahertz laser beam). In this case, the laser element according to the present invention using the active layer using the intersubband transition is particularly excellent as a laser element that emits laser light having the above-described wavelength (that is, oscillation with high reliability at room temperature). Therefore, it is excellent as a light source for laser light in the wavelength region described above.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、2次元回折格子は最表面に露出していてもよい。この場合、2次元回折格子を半導体の積層構造の中央部などに配置する場合に比べて、レーザ素子の製造工程を簡略化できる。このため、レーザ素子の製造コストの増大を抑制できる。 In the photonic crystal surface emitting laser element, the two-dimensional diffraction grating may be exposed on the outermost surface. In this case, the manufacturing process of the laser element can be simplified as compared with the case where the two-dimensional diffraction grating is arranged in the central portion of the semiconductor laminated structure. For this reason, the increase in the manufacturing cost of a laser element can be suppressed.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、2次元回折格子は、低屈折率部分と、当該低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有していてもよい。高屈折率部分は半導体からなっていてもよく、低屈折率部分は、高屈折率部分に形成された孔であってもよい。 In the photonic crystal surface emitting laser element, the two-dimensional diffraction grating may have a low refractive index portion and a high refractive index portion having a refractive index higher than the refractive index of the low refractive index portion. The high refractive index portion may be made of a semiconductor, and the low refractive index portion may be a hole formed in the high refractive index portion.
このような構成の2次元回折格子は、高屈折率部分となる半導体層の形成とエッチングなどによる孔の形成という比較的簡単な工程で形成できる。このため、レーザ素子の製造工程を簡略化し、低コストなレーザ素子を実現できる。 The two-dimensional diffraction grating having such a configuration can be formed by a relatively simple process of forming a semiconductor layer to be a high refractive index portion and forming a hole by etching or the like. For this reason, the manufacturing process of a laser element can be simplified and a low-cost laser element can be realized.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、2次元回折格子は、低屈折率部分と、低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有していてもよい。高屈折率部分は金属からなっていてもよく、低屈折率部分は半導体からなっていてもよい。 In the photonic crystal surface emitting laser element, the two-dimensional diffraction grating may have a low refractive index portion and a high refractive index portion having a refractive index higher than that of the low refractive index portion. The high refractive index portion may be made of a metal, and the low refractive index portion may be made of a semiconductor.
この場合、高屈折率部分を構成する金属を電極として利用すれば、2次元回折格子と別に電極を形成する場合よりレーザ素子の構造を簡略化できる。 In this case, if the metal constituting the high refractive index portion is used as an electrode, the structure of the laser element can be simplified as compared with the case where the electrode is formed separately from the two-dimensional diffraction grating.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、2次元回折格子に接触する、金属又は半導体からなる層を更に備えていてもよい。当該半導体は第1導電型の半導体であってもよい。このようにすれば、2次元回折格子が積層構造中に埋設された構造を有する、本発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。この場合、たとえば上記半導体からなる層を2次元回折格子に接続するために、従来から知られている融着法などの工程を利用することができる。 The photonic crystal surface emitting laser element may further include a layer made of metal or semiconductor that is in contact with the two-dimensional diffraction grating. The semiconductor may be a first conductivity type semiconductor. In this way, a photonic crystal surface emitting laser element according to the present invention having a structure in which a two-dimensional diffraction grating is embedded in a laminated structure can be obtained. In this case, for example, a conventionally known process such as a fusion method can be used to connect the semiconductor layer to the two-dimensional diffraction grating.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と第1導電型の半導体層と2次元回折格子とが主表面上に積層された基板を更に備えていてもよい。基板からみて、活性層は、2次元回折格子より遠くに位置してもよい。この場合、基板上に2次元回折格子を形成してから、別基板上に形成した活性層および第1導電型の半導体層を2次元回折格子上に融着するといった方法で本発明によるフォトニック結晶面発光レーザ素子を製造することができる。 The photonic crystal surface emitting laser element may further include a substrate in which an active layer, a first conductivity type semiconductor layer, and a two-dimensional diffraction grating are stacked on a main surface. The active layer may be located farther than the two-dimensional diffraction grating when viewed from the substrate. In this case, after the two-dimensional diffraction grating is formed on the substrate, the active layer and the first conductivity type semiconductor layer formed on another substrate are fused on the two-dimensional diffraction grating. A crystal surface emitting laser element can be manufactured.
この発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法では、サブバンド間遷移を用いた活性層を形成する工程を実施する。活性層上に、2次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程を実施する。半導体層において、周期的に配置され、活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程を実施する。半導体層に接触する電極を形成する工程を実施する。このようにすれば、2次元回折格子を構成する半導体層上に直接電極を形成するので、2次元回折格子を他の半導体層により挟むような構成より簡単な工程でレーザ素子を製造することができる。 In the method of manufacturing a photonic crystal surface emitting laser element according to the present invention, a step of forming an active layer using intersubband transition is performed. A step of forming a semiconductor layer constituting a two-dimensional diffraction grating is performed on the active layer. In the semiconductor layer, a step of periodically forming a plurality of recesses that are arranged periodically and do not reach the active layer is performed. A step of forming an electrode in contact with the semiconductor layer is performed. In this case, since the electrodes are formed directly on the semiconductor layer constituting the two-dimensional diffraction grating, the laser element can be manufactured by a simpler process than the structure in which the two-dimensional diffraction grating is sandwiched between other semiconductor layers. it can.
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法において、電極を形成する工程では、メッキ法を用いて電極を形成してもよい。この場合、メッキ法を用いることで比較的容易に電極の厚みを厚くすることができる。 In the method of manufacturing the photonic crystal surface emitting laser element, in the step of forming the electrode, the electrode may be formed using a plating method. In this case, the thickness of the electrode can be increased relatively easily by using a plating method.
この発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法では、サブバンド間遷移を用いた活性層を形成する工程を実施する。活性層上に、2次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程を実施する。半導体層において、周期的に配置され、活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程を実施する。半導体層に接触するとともに凹部を覆う電極を形成する工程を実施する。 In the method of manufacturing a photonic crystal surface emitting laser element according to the present invention, a step of forming an active layer using intersubband transition is performed. A step of forming a semiconductor layer constituting a two-dimensional diffraction grating is performed on the active layer. In the semiconductor layer, a step of periodically forming a plurality of recesses that are arranged periodically and do not reach the active layer is performed. A step of forming an electrode that contacts the semiconductor layer and covers the recess is performed.
このようにすれば、電極が、2次元回折格子を構成する半導体層における凹部の形状を保持するサポート部材として作用するので、より信頼性の高いフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。また、上記フォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法では、凹部を覆う電極を形成する工程において、メッキ法を用いて電極を形成してもよい。この場合も、メッキ法を用いることで比較的容易に電極の厚みを厚くすることができる。 In this case, since the electrode acts as a support member that retains the shape of the recess in the semiconductor layer constituting the two-dimensional diffraction grating, a more reliable photonic crystal surface emitting laser element can be obtained. In the method of manufacturing the photonic crystal surface emitting laser element, the electrode may be formed using a plating method in the step of forming the electrode covering the recess. Also in this case, the thickness of the electrode can be increased relatively easily by using a plating method.
このように、本発明によれば、室温で発振可能なフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。 Thus, according to the present invention, a photonic crystal surface emitting laser element capable of oscillating at room temperature can be obtained.
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
図1は、本発明に従った発光素子の実施の形態1を示す断面模式図である。図2は、図1に示した発光素子に含まれるフォトニック結晶層を示す斜視模式図である。図3は図1に示した発光素子のn型表面電極を示す平面模式図である。図1〜図3を参照して、本発明による発光素子の実施の形態1を説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of a light emitting device according to the present invention. FIG. 2 is a schematic perspective view showing a photonic crystal layer included in the light-emitting element shown in FIG. FIG. 3 is a schematic plan view showing an n-type surface electrode of the light emitting device shown in FIG. With reference to FIGS. 1-3,
発明者らは、特許文献1に示されたフォトニック結晶面発光レーザ素子の概念を利用して、中赤外域からテラヘルツ(THz)帯に渡る周波数の(具体的には波長が1.6μm以上1mm以下である)レーザ光を発振可能な、図1〜図3に示すような量子カスケード面発光レーザ(発光素子1)を形成することに成功した。具体的には、図1〜図3を参照して、本発明による発光素子1は、二次元フォトニック結晶量子カスケード面発光レーザ素子であり、基板2と、基板2の上部表面上に形成されたn型バッファ層3と、n型バッファ層3上に形成された量子カスケード活性層4と、量子カスケード活性層4上に形成されたn型ガイド層5と、n型ガイド層5上に形成されたフォトニック結晶層7と、フォトニック結晶層7上に形成されたn型表面電極10と、基板2のn型バッファ層3が形成された表面とは反対側の裏面に形成されたn型裏面電極9とを備える。基板2としてはn型の基板を用いることができる。また、基板2の材料としては、たとえばインジウムリン(InP)を用いることができる。また、n型バッファ層3の組成としてはn型のInGaAsからなる層を用いることができる。フォトニック結晶層7に形成された孔8の側壁は発光素子1の上部表面において露出した状態になっている。つまり、フォトニック結晶層7は発光素子1の最表面に露出している。
The inventors have used the concept of the photonic crystal surface emitting laser element disclosed in
量子カスケード活性層4としては、たとえばAlInAsからなるバリア層と、InGaAsからなるウエル層とを交互に積層することにより超格子構造が構成されている。量子カスケード活性層4では、サブバンド間遷移領域と注入領域とが複数周期繰返すように、つまり複数の階段状サブバンド構造を有する量子カスケード構造となるように形成されている。
As the quantum cascade
具体的には、量子カスケード活性層4の構成例としては、たとえばバリア層をAlInAs(Al組成0.48)とし、ウエル層をInGaAs(Ga組成0.47)とした場合に、高バイアス側であるn型表面電極10側から低バイアス側であるn型裏面電極9に向けて、バリア層/(ウエル層)/バリア層/(ウエル層)/・・・と交互に積層された構成を採用できる。また、これらの各層の厚みは5nm/(1nm)/1.5nm/(4.5nm)/2nm/(4nm)/3nm/(2.5nm)/2.5nm/(2.2nm)/2.2nm/(2nm)/2nm/(2nm)/2.2nm/(2nm)/3nm/(2nm)とした18層からなる積層構造を1周期とし、この周期を複数(たとえば10〜100周期)繰返した構成とすることができる。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
Specifically, as a configuration example of the quantum cascade
n型ガイド層5としては、たとえばInGaAsからなる層を用いることができる。フォトニック結晶層7としては、たとえばn型のインジウムリン(InP)からなる層に、周期的な凹部としての孔8が形成された構造を用いることができる。n型表面電極10およびn型裏面電極9の材料としては、任意の金属を用いることができる。フォトニック結晶層7と量子カスケード活性層4との間は1μm以上離れている。
As the n-
フォトニック結晶層7においては、空気孔である孔8が三角格子状に配置されている。この結果、孔8が低屈折率部分72となり、その周囲のInPからなる層が高屈折率部分71となる。また、図3に示すように、n型表面電極10には、フォトニック結晶層7における空気孔である孔8と重なる部分に孔8の平面形状と同じ平面形状を有する孔が形成されている。なお、n型裏面電極9は、基板2の裏面全体を覆うように形成されている。
In the
図2を参照して、フォトニック結晶層7は、高屈折率部分71と、低屈折率部分72(すなわち孔8)とを有している。低屈折率部分72(孔8)は、高屈折率部分71の屈折率よりも低い屈折率を有している。低屈折率部分72(孔8)は複数であり、高屈折率部分71の内部において均一に分布している。図2において、フォトニック結晶層7は三角格子の形態の2次元回折格子を構成している。低屈折率部分72(孔8)の各々は、三角格子の格子点となる位置、言い換えれば正三角形の頂点の位置に形成されている。一つの格子点の中心と、この格子点に隣接する6つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。
Referring to FIG. 2, the
次に、図1〜図3に示した発光素子1の発光原理について簡単に説明する。
n型表面電極10とn型裏面電極9とに電圧を印加すると、量子カスケード活性層4へ電子が注入される。そして、量子カスケード活性層4における量子井戸構造の伝導帯中に生成する遷移領域でのサブバンド間を電子が遷移するが、上記電極に電圧(バイアス)を印加することでバンドを傾けることにより、サブバンド間の電子の遷移が連続して発生する。この結果、(たとえば主に2μm以上の長波長の)光が発生する。なお、発生される光の波長は、量子カスケード活性層4の構成により規定される。
Next, the light emission principle of the
When a voltage is applied to the n-
量子カスケード活性層4において発生された光は、n型バッファ層3とn型ガイド層5とによって量子カスケード活性層4内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層7に到達する。ここで、量子カスケード活性層4において発生する光は中赤外光からテラヘルツ(THz)光となるように、量子カスケード活性層4の構造は規定されているため、エバネッセント光の広がる領域が広くなる。なぜならエバネッセント光の広がりは、その光の波長に比例するからである。そのため、図1に示した発光素子1では、フォトニック結晶層7と量子カスケード活性層4との間の距離をたとえば1μm以上としても、十分フォトニック結晶層7に量子カスケード活性層4からのエバネッセント光が到達する。フォトニック結晶層7に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層7が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において定在波が誘起される。
Light generated in the quantum cascade
このような現象は、量子カスケード活性層4およびフォトニック結晶層7が2次元的に広がりをもって形成されているので、n型裏面電極9の真上の領域において生じうる。定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことが可能となる。
Such a phenomenon can occur in a region immediately above the n-type back
フォトニック結晶層7(2次元回折格子)は、少なくとも2方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような2次元回折格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を三角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を六角格子とそれぞれ呼ぶ。 The photonic crystal layer 7 (two-dimensional diffraction grating) has a property of overlapping when translated in the same period in at least two directions. Such a two-dimensional diffraction grating is formed by arranging regular triangles, squares, or regular hexagons all over the surface and providing a lattice point at each vertex. Here, a lattice formed using a regular triangle is referred to as a triangular lattice, a lattice formed using a square is referred to as a square lattice, and a lattice formed using a regular hexagon is referred to as a hexagonal lattice.
図4は、三角格子における光の回折を説明するための図である。三角格子は、一辺の長さがaである正三角形によって埋め尽くされている。図4において、複数の格子点(孔8)のうち任意に選択された格子点Aに着目し、格子点Aから格子点Bに向かう方向をX−Γ方向と呼び、また格子点Aから格子点Cへ向かう方向をX−J方向と呼ぶ。ここでは、量子カスケード活性層4(図1)において発生される光の波長がX−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。 FIG. 4 is a diagram for explaining light diffraction in a triangular lattice. The triangular lattice is filled with regular triangles whose side length is a. In FIG. 4, paying attention to a lattice point A arbitrarily selected from a plurality of lattice points (holes 8), the direction from the lattice point A to the lattice point B is referred to as the X-Γ direction, and the lattice point A to the lattice point The direction toward point C is called the XJ direction. Here, the case where the wavelength of the light generated in the quantum cascade active layer 4 (FIG. 1) corresponds to the lattice period in the X-Γ direction will be described.
2次元回折格子は、以下に説明する3個の1次元回折格子群L、M、Nを含むと考えることができる。1次元回折格子群Lは、Y軸方向に向けて設けられた1次元格子L1、L2、L3などからなっている。1次元回折格子群Mは、X軸方向に対して120度の角度を方向に向けて設けられた1次元格子M1、M2、M3などからなっている。1次元回折格子群Nは、X軸方向に対して60度の方向に向けて設けられた1次元格子N1、N2、N3などからなっている。これら3つの1次元回折格子群L,N,およびMは、任意の格子点を中心に120度の角度で回転すると重なりあう。各1次元回折格子群L,N,およびMにおいて、1次元格子間の間隔はdであり、1次元格子内の間隔はaである。 The two-dimensional diffraction grating can be considered to include three one-dimensional diffraction grating groups L, M, and N described below. The one-dimensional diffraction grating group L includes one-dimensional gratings L 1 , L 2 , L 3 and the like provided in the Y-axis direction. The one-dimensional diffraction grating group M is composed of one-dimensional gratings M 1 , M 2 , M 3 and the like provided with an angle of 120 degrees with respect to the X-axis direction. The one-dimensional diffraction grating group N is composed of one-dimensional gratings N 1 , N 2 , N 3 and the like provided in a direction of 60 degrees with respect to the X-axis direction. These three one-dimensional diffraction grating groups L, N, and M overlap when rotated at an angle of 120 degrees around an arbitrary grating point. In each one-dimensional diffraction grating group L, N, and M, the interval between the one-dimensional gratings is d, and the interval within the one-dimensional grating is a.
まず、格子群Lに関して考える。格子点Aから格子点Bの方向に進む光は、格子点Bにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件2d・sinθ=mλ(m=0、±1、・・)によって規定される。ここで、λは高屈折率部分71(図2)内における光の波長である。2次のブラッグ反射(m=±2)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ=±60゜、±120゜の角度に別の格子点D,E,F,およびGが存在する。また、m=0に対応する角度θ=0、180゜にも格子点AおよびKが存在する。 First, the lattice group L is considered. Light traveling in the direction from the lattice point A to the lattice point B causes a diffraction phenomenon at the lattice point B. The diffraction direction is defined by the Bragg condition 2d · sin θ = mλ (m = 0, ± 1,...). Here, λ is the wavelength of light in the high refractive index portion 71 (FIG. 2). When the diffraction grating is formed so as to satisfy the second-order Bragg reflection (m = ± 2), other grating points D, E, F, and θ at angles of θ = ± 60 °, ± 120 °, and G exists. There are also lattice points A and K at angles θ = 0 and 180 ° corresponding to m = 0.
格子点Bにおいて、たとえば格子点Dの方向に向けて回折された光は、格子点Dにおいて格子群Mに従って回折される。この回折は、格子群Lに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Dにおいて格子点Hに向けて回折される光は、格子群Nに従って回折される。このようにして順次、格子点H、格子点I、格子点Jと回折されていく。格子点Jから格子点Aに向けて回折される光は、格子群Nに従って回折される。 For example, light diffracted at the lattice point B in the direction of the lattice point D is diffracted according to the lattice group M at the lattice point D. This diffraction can be considered in the same manner as the diffraction phenomenon according to the grating group L. Next, the light diffracted toward the lattice point H at the lattice point D is diffracted according to the lattice group N. In this way, diffraction is sequentially performed at the lattice point H, the lattice point I, and the lattice point J. The light diffracted from the lattice point J toward the lattice point A is diffracted according to the lattice group N.
以上、説明したように、格子点Aから格子点Bに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Aに到達する。このため、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、この2次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。 As described above, the light traveling from the lattice point A to the lattice point B reaches the first lattice point A through a plurality of diffractions. For this reason, light traveling in a certain direction returns to the position of the original lattice point through a plurality of diffractions, so that a standing wave is generated between the lattice points. Therefore, this two-dimensional diffraction grating acts as an optical resonator, that is, a wavelength selector and a reflector.
また、上記ブラッグ条件2d・sinθ=mλ(m=0、±1、・・)において、mが奇数である条件でのブラッグ反射の方向は、θ=±90゜となる。これは、2次元回折格子の主面に対して垂直方向にも回折が強くなることを意味している。これにより、2次元回折格子の主面(量子カスケード活性層4の主面)に対して垂直方向、すなわち光放出面である上面から、図1の矢印11に示す方向に光を放出(面発光)させることができる。
In the Bragg condition 2d · sin θ = mλ (m = 0, ± 1,...), The Bragg reflection direction under the condition that m is an odd number is θ = ± 90 °. This means that the diffraction becomes stronger also in the direction perpendicular to the main surface of the two-dimensional diffraction grating. As a result, light is emitted in a direction perpendicular to the main surface of the two-dimensional diffraction grating (main surface of the quantum cascade active layer 4), that is, the light emission surface, in the direction indicated by the
さらに、この2次元回折格子では、上記の説明が任意の格子点Aにおいて行われたことを考慮すると、上記のような光の回折は2次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各X−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって2次元的に相互に結合していると考えられる。この2次元回折格子では、この2次元的結合によって3つのX−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。 Further, in this two-dimensional diffraction grating, considering that the above description is made at an arbitrary grating point A, the above-described light diffraction can occur at all the two-dimensionally arranged grating points. For this reason, it is considered that light propagating in each X-Γ direction is two-dimensionally coupled to each other by Bragg diffraction. In this two-dimensional diffraction grating, it is considered that the three X-Γ directions are coupled by the two-dimensional coupling to form a coherent state.
図5は、本発明の実施の形態1におけるフォトニック結晶層の他の構成を模式的に示す斜視図である。図5において、フォトニック結晶層7は正方格子の形態の2次元回折格子を構成している。低屈折率部分72の各々は、正方格子の格子点となる位置、言い換えれば正方形の頂点の位置に形成されている孔8である。一つの格子点(孔8)の中心と、この格子点に隣接する8つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing another configuration of the photonic crystal layer in the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, the
図6は、正方格子における光の回折を説明するための図である。正方格子は、一辺の長さがdである正方形で埋め尽くされている。図6において、任意に選択された格子点Wに着目し、格子点Wから格子点Pに向かう方向をX−Γ方向と呼び、また格子点Wから格子点Qへ向かう方向X−J方向と呼ぶ。ここでは、量子カスケード活性層4(図1)において発生される光の波長がX−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。 FIG. 6 is a diagram for explaining light diffraction in a square lattice. The square lattice is filled with squares whose side length is d. In FIG. 6, paying attention to the arbitrarily selected lattice point W, the direction from the lattice point W to the lattice point P is called the X-Γ direction, and the direction from the lattice point W to the lattice point Q is the XJ direction. Call. Here, the case where the wavelength of the light generated in the quantum cascade active layer 4 (FIG. 1) corresponds to the lattice period in the X-Γ direction will be described.
2次元回折格子は、以下に説明する2個の1次元回折格子群U、Vを含むと考えることができる。1次元回折格子群Uは、Y軸方向に向けて設けられた1次元格子U1、U2、U3などからなっている。1次元回折格子群Vは、X軸方向に向けて設けられた1次元格子V1、V2、V3などからなっている。これら2つの1次元回折格子群UおよびVは、任意の格子点を中心に90゜の角度で回転すると重なりあう。各1次元回折格子群UおよびVにおいて、1次元格子間の間隔はdであり、1次元格子内の間隔もdである。 The two-dimensional diffraction grating can be considered to include two one-dimensional diffraction grating groups U and V described below. The one-dimensional diffraction grating group U is composed of one-dimensional gratings U 1 , U 2 , U 3 and the like provided in the Y-axis direction. The one-dimensional diffraction grating group V includes one-dimensional gratings V 1 , V 2 , V 3 and the like provided in the X-axis direction. These two one-dimensional diffraction grating groups U and V overlap when rotated at an angle of 90 ° about an arbitrary grating point. In each one-dimensional diffraction grating group U and V, the interval between the one-dimensional gratings is d, and the interval within the one-dimensional grating is also d.
まず、格子群Uに関して考える。格子点Wから格子点Pの方向に進む光は、格子点Pにおいて回折現象を生じる。回折方向は、3角格子の場合と同様に、ブラッグ条件2d・sinθ=mλ(m=0、±1、・・)によって規定される。2次のブラッグ反射(m=±2)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ=±90゜の角度に別の格子点Q、Rが存在し、m=0に対応する角度θ=0、180゜にも格子点W、Sが存在する。 First, the lattice group U will be considered. Light traveling in the direction from the lattice point W to the lattice point P causes a diffraction phenomenon at the lattice point P. The diffraction direction is defined by the Bragg condition 2d · sin θ = mλ (m = 0, ± 1,...) As in the case of the triangular grating. When the diffraction grating is formed so as to satisfy the second-order Bragg reflection (m = ± 2), there are other grating points Q and R at an angle θ = ± 90 °, and m = 0. There are also lattice points W and S at corresponding angles θ = 0 and 180 °.
格子点Pにおいて格子点Qの方向に向けて回折された光は、格子点Qにおいて格子群Vに従って回折される。この回折は、格子群Uに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Qにおいて格子点Tに向けて回折される光は、格子群Uに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Tから格子点Wに向けて回折される光は、格子群Vに従って回折される。 The light diffracted toward the lattice point Q at the lattice point P is diffracted according to the lattice group V at the lattice point Q. This diffraction can be considered in the same manner as the diffraction phenomenon according to the grating group U. Next, the light diffracted toward the lattice point T at the lattice point Q is diffracted according to the lattice group U. In this way, the light is sequentially diffracted. The light diffracted from the lattice point T toward the lattice point W is diffracted according to the lattice group V.
以上、説明したように、格子点Wから格子点Pに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Wに到達する。このため、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、この2次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。 As described above, the light traveling from the lattice point W to the lattice point P reaches the first lattice point W through a plurality of diffractions. For this reason, in the semiconductor laser device of the present embodiment, light traveling in a certain direction returns to the position of the original lattice point through a plurality of diffractions, so that a standing wave is generated between the lattice points. Therefore, this two-dimensional diffraction grating acts as an optical resonator, that is, a wavelength selector and a reflector.
ここで、図1〜図3に示したフォトニック結晶面発光レーザ素子としての発光素子1では、サブバンド間遷移を用いた活性層である量子カスケード活性層4と、第1導電型の半導体層としてのn型バッファ層3およびn型ガイド層5と、2次元回折格子としてのフォトニック結晶層7とを備える。n型バッファ層3およびn型ガイド層5は、量子カスケード活性層4を挟むように配置される。フォトニック結晶層7は、n型ガイド層5上に積層され、量子カスケード活性層4と独立している。このような構成を備えることにより、図1〜図3に示した発光素子1では、フォトニック結晶層7の構造(格子定数や空気充填率)を制御することにより、量子カスケード活性層4で発光する光のうちの任意の1波長の光のみを量子カスケード活性層4内にフィードバックさせ、1つのモードのみで発振させることができる。つまり、従来のファブリペロー型共振器を用いた通常の量子カスケードレーザのように、発振波長については多数の波長が混在するマルチモードではなくて、本発明による発光素子1では任意の単一波長での発振が可能となる。また、量子カスケード活性層4の主表面と垂直な方向に回折効果により単一波長のレーザ光を出射させることが可能となる。
Here, in the
これまで強度の強い光源が存在しなかった中赤外域からTHz帯において、任意の波長のレーザ光源が得られるということは非常に意義深いことである。また、図1〜図3に示したフォトニック結晶面発光レーザ素子としての発光素子1の構造では、出射面を表面側の非常に大きな面積の領域にすることが可能である。この結果、本発明による発光素子1では、ファブリペローレーザや欠陥型フォトニック結晶レーザのように出射面を狭い領域とせざるを得ないレーザで問題となる破壊現象(COD:突然破壊:光集中により出射面が溶ける現象)を起こす可能性が極めて低い。つまりレーザ光源としての信頼性も向上する。
It is very significant that a laser light source having an arbitrary wavelength can be obtained from the mid-infrared region to the THz band where a light source having a high intensity has not existed. Further, in the structure of the
また、図1〜図3に示した発光素子1では、フォトニック結晶層7を量子カスケード活性層4から離した位置(たとえば1μm以上離れた位置)に形成して、活性層からしみ出したエバネッセント光とフォトニック結晶層7との光結合を利用することが可能である。このため、従来のように活性層まで到達する孔を形成する必要は無い。これは、図1〜図3に示した発光素子1の共振器は、強い局在モードの閉じ込めを必要とせず、通常の1次元DFBレーザ(Distributed feedback laser)と同程度の光結合の強さで充分であるからである。よって、図1〜図3に示した発光素子1の量子カスケード活性層4は、外部に露出されることが無いため、室温でも表面再結合速度が上昇することはない。この結果、図1〜図3に示した発光素子1では、室温での発光及び発振が容易に実現できる。
1 to 3, the
なお、上述した特許文献1に開示されているフォトニック結晶面発光レーザ素子は、基本的に近赤外光から可視光(波長にして0.4μm〜1.5μm)のレーザを前提としている。この場合、エバネッセント光の拡がる領域(その広さは波長に比例する)が小さく、フォトニック結晶層を活性層の近傍に作り込む必要がある。したがって、特許文献1では融着法や再成長法を用いて素子を形成していた。しかし、図1〜図3に示した発光素子1では、中赤外光からTHz帯域(波長にして2μm以上1000μm以下)のレーザ光を発振対象とするため、エバネッセント光の拡がる領域が非常に広くなり、フォトニック結晶層7と量子カスケード活性層4との間の距離を大きく離すことが可能となる。よって、図1に示すように、発光素子1の表面部分にフォトニック結晶層7を形成した構成とすることが可能である。この結果、本発明による発光素子1については、融着法や再成長法などの面倒な作製法を用いることが必須ではない。
Note that the photonic crystal surface emitting laser element disclosed in
さらにフォトニック結晶層7における孔8の加工位置と量子カスケード活性層4の距離が離れていることから、孔8を形成する際の加工に伴う量子カスケード活性層4への加工ダメージもほとんど発生しない。また同様にフォトニック結晶層7を作り込む際に発生する応力と歪みの影響も、量子カスケード活性層4に対しては少なくなる。このため、他の短波長のフォトニック結晶面発光レーザ素子では残留応力の強さから採用が困難な場合があった、誘電体柱埋め込みフォトニック結晶構造などを採用することも容易になる。この結果、構造の自由度が大きく拡がった。つまり、図1〜図3に示した発光素子1は、発振波長が任意の単一波長に制御された、信頼性が高く、室温での動作も可能である、中赤外域からTHz帯に渡る周波数のレーザ光を出射可能な光源である。また、図1〜図3に示した発光素子1は、後述するように簡単な工程で作り出すことが出来る。
Further, since the processing position of the
次に、図1〜図3に示した発光素子の製造方法を説明する。図7〜図11は、図1〜図3に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図7〜図11を参照して、図1〜図3に示した発光素子の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the light emitting device shown in FIGS. 1 to 3 will be described. 7-11 is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the light emitting element shown in FIGS. 1-3. With reference to FIGS. 7-11, the manufacturing method of the light emitting element shown in FIGS. 1-3 is demonstrated.
まず、図7に示すように基板2を準備する。基板2としては、上述のようにたとえばn型のInP基板を用いることができる。
First, the
次に、エピタキシャル成長法を用いて、基板2の主表面上にn型バッファ層3、量子カスケード活性層4、n型ガイド層5、n型半導体層17を順に積層する。この結果、図8に示すような構造を得る。
Next, the n-
次に、蒸着法を用いて、n型半導体層17の上部表面上に導電体層18を形成する。また、基板2の裏面側(n型バッファ層3が形成された表面とは反対側の裏面)にも、蒸着法を用いてn型裏面電極9を形成する。このようにして、図9に示すような構造を得る。
Next, the
次に、導電体層18の上部表面上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト19を形成する。このレジスト19においては、図1〜図3に示したフォトニック結晶層7の孔8(空気孔)が形成されるべき領域上に開口パターンが形成されている。この開口パターンの平面形状は孔8の平面形状と同様であり、たとえば円形状とすることができる。このようにして、図10に示すような構造を得る。
Next, a resist 19 having a pattern is formed on the upper surface of the
次に、レジスト19をマスクとして用いて、導電体層18およびn型半導体層17を部分的にエッチングにより除去することにより、凹部としての孔8を形成する。この結果、図11に示すような構造を得る。
Next, the
この後、レジスト19を除去する。この結果、図1〜図3に示した発光素子を得ることができる。 Thereafter, the resist 19 is removed. As a result, the light emitting element shown in FIGS. 1 to 3 can be obtained.
図12は、図1〜図3に示した発光素子の第1の変形例を示す断面模式図である。図12を参照して、図1〜図3に示した本発明による発光素子の実施の形態1の第1の変形例を示す。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a first modification of the light emitting device shown in FIGS. With reference to FIG. 12, the 1st modification of
図12に示した発光素子1は、基本的には図1〜図3に示した発光素子と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層7の構造が一部異なっている。具体的には、フォトニック結晶層7において、孔8の内部に絶縁膜としてのシリコン酸化膜20が充填されている。シリコン酸化膜20の屈折率は、フォトニック結晶層7を構成するn型半導体層17(図8参照)より低い。また、フォトニック結晶層7を構成するシリコン酸化膜20の上部表面は発光素子1の最表面に露出している。このような構造によっても、図1〜図3に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
The light-emitting
次に、図12に示した発光素子の製造方法を説明する。図13は、図12に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図13を参照して、図12に示した発光素子1の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the light emitting element shown in FIG. 12 will be described. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing the light-emitting element shown in FIG. With reference to FIG. 13, the manufacturing method of the
図12に示した発光素子の製造方法においては、上述した図8〜図11に示した工程を実施した後、図13に示すように、孔8の内部が充填さるように、レジスト19が残存した状態でシリコン酸化膜20を形成する。シリコン酸化膜20はたとえば蒸着法などを用いて形成する。この結果、図13に示すようにレジスト19の上部表面上および孔8の内部にシリコン酸化膜20が形成される。
In the method for manufacturing the light emitting device shown in FIG. 12, after performing the steps shown in FIGS. 8 to 11, the resist 19 remains so that the inside of the
その後、レジスト19とともに、レジスト19上に形成されたシリコン酸化膜20を除去する(リフトオフ)。この結果、図12に示す発光素子を得ることができる。
Thereafter, the
図14は、図1〜図3に示した発光素子の第2の変形例を示す断面模式図である。図14を参照して、本発明による発光素子の実施の形態1の第2の変形例を示す。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a second modification of the light emitting device shown in FIGS. Referring to FIG. 14, a second modification of the first embodiment of the light emitting device according to the present invention will be described.
図14に示した発光素子1は、基本的には図1〜図3に示した発光素子1と同様の構造を備えるが、n型表面電極10の構成が図1〜図3に示した発光素子1とは異なっている。すなわち、図14に示した発光素子1においては、n型表面電極10の厚みが図1〜図3に示した発光素子1におけるn型表面電極10の厚みより厚くなっている。このような構成によっても、図1〜図3に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
The
次に、図14に示した発光素子の製造方法を説明する。まず、図8〜図11に示した工程を図示した後、図11に示したレジスト19を剥離液などの薬液を用いて除去する。その結果、図1に示したようにn型表面電極10の上部表面が露出した状態になる。この露出したn型表面電極10の上部表面上にめっき法によりさらに導電体膜を形成する。この結果、厚みの厚いn型表面電極10(図14参照)が形成される。このようにして、図14に示す発光素子1を得ることができる。
Next, a method for manufacturing the light emitting element shown in FIG. 14 will be described. First, after illustrating the steps shown in FIGS. 8 to 11, the resist 19 shown in FIG. 11 is removed using a chemical such as a stripping solution. As a result, the upper surface of the n-
(実施の形態2)
図15は、本発明による発光素子の実施の形態2を示す断面模式図である。図16は、図15に示した発光素子を構成するフォトニック結晶層を示す斜視模式図である。図17は、図15に示した発光素子の上部表面に形成されたn型表面電極を示す平面模式図である。図18は、図15に示した発光素子の裏面側に形成されたn型裏面電極9を示す平面模式図である。図15〜図18を参照して、本発明による発光素子の実施の形態2を説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a second embodiment of a light emitting device according to the present invention. 16 is a schematic perspective view showing a photonic crystal layer constituting the light emitting device shown in FIG. FIG. 17 is a schematic plan view showing an n-type surface electrode formed on the upper surface of the light emitting device shown in FIG. FIG. 18 is a schematic plan view showing the n-type back
図15〜図18を参照して、発光素子1は、基本的には図1〜図3に示した発光素子と同様の構造を備えるが、n型表面電極10、フォトニック結晶層7およびn型裏面電極9の構造が異なっている。すなわち、図15〜図18に示した発光素子1では、n型裏面電極9が基板2の裏面(n型バッファ層3が形成された表面とは反対側の裏面)において、基板2の外周部において環状に配置されている。n型裏面電極9は、図18に示すように中央部に開口部13が形成された構成となっている。また、n型表面電極10は、図17および図18からもわかるようにn型裏面電極9に形成された開口部13とほぼ同じ平面形状を有するように矩形状の平面形状を有している。また、フォトニック結晶層7においては、孔8の内部に高屈折率部分としての金属柱21が充填された状態となっている。フォトニック結晶層7において金属柱21を囲む部分は低屈折率部分としての半導体層により構成される。金属柱21はn型表面電極10と接続されている。図15に示した発光素子1では、矢印11(図15参照)に示す方向に光(レーザ光)が放出される。このような構成によっても、図1〜図3に示す発光素子1と同様の効果を得ることができる。
Referring to FIGS. 15 to 18, light emitting
次に、図15〜図18に示した発光素子1の製造方法を説明する。図19〜図21は、図15〜図18に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図19〜図21を参照して、図15〜図18に示した発光素子1の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the light-emitting
まず、図7および図8に示した工程と同様の工程を実施する。この結果、図8に示すように基板2の上部表面上にn型バッファ層3、量子カスケード活性層4、n型ガイド層5およびフォトニック結晶層7(図15参照)となるべきn型半導体層17が形成される。その後、図19に示すように、基板2の裏面上にn型裏面電極9を形成する。具体的には、基板2の裏面上に、n型裏面電極9の開口部13(図18参照)と同様の平面形状を有するレジストパターン(図示せず)を形成する。そして、このレジストパターン上および基板2の裏面上にn型裏面電極9(図15参照)となるべき導電体膜(図示せず)を形成する。その後、レジストを除去することにより、開口部13となるべき領域に開口が形成されたn型裏面電極9を得ることができる。このようにして、図19に示すような構造を得る。
First, steps similar to those shown in FIGS. 7 and 8 are performed. As a result, as shown in FIG. 8, the n-type semiconductor to be the n-
次に、n型半導体層17上にパターンを有するレジスト19(図20参照)を形成する。このようにして、図20に示すような構造を得る。なお、レジスト19において形成される開口パターンは、フォトニック結晶層7の金属柱21が充填される孔8と同様の平面形状および配置を有する。
Next, a resist 19 (see FIG. 20) having a pattern is formed on the n-
次に、上述したレジスト19をマスクとして用い、エッチングによりn型半導体層17を部分的に除去する。このようにして、孔8(図15参照)が形成される。その後、剥離液などを用いてレジスト19を除去する。その結果、図21に示すような構造を得る。
Next, using the resist 19 described above as a mask, the n-
次に、孔8が形成されたフォトニック結晶層7上にフォトリソグラフィ法を用いてレジスト(図示せず)を形成する。このレジストにおいては、図15および図17に示すようにn型表面電極10が形成されるべき領域に開口パターンが形成されている。そして、当該レジストの上部表面上、露出しているフォトニック結晶層7の上部表面上、および孔8の内部を充填するようにn型表面電極10となるべき導電体膜(図示せず)を形成する。この導電体膜は、孔8の内部を充填するとともに、n型表面電極10を構成するために十分な膜厚となるように蒸着法により形成される。その後、上述したレジスト膜を、当該レジスト膜上に形成された導電体膜とともに除去する(リフトオフ)。この結果、図15〜図18に示した発光素子1を得ることができる。
Next, a resist (not shown) is formed on the
(実施の形態3)
図22は、本発明による発光素子の実施の形態3を示す断面模式図である。図23は、図22に示した発光素子のn型裏面電極9の平面形状を示す模式図である。図22および図23を参照して、本発明による発光素子の実施の形態3を説明する。
(Embodiment 3)
FIG. 22 is a schematic sectional
図22および図23に示した発光素子1は、基本的には図15〜図18に示した発光素子1と同様の構造を備えるが、n型裏面電極9およびn型表面電極10の形状が異なり、またフォトニック結晶層7の構成も異なっている。すなわち、図22および図23に示した発光素子1では、n型表面電極10がフォトニック結晶層7の上部表面全体を覆うように形成されている。また、n型裏面電極9も、発光領域をより広く確保するという観点から基板2の裏面の外周部に沿って環状に配置されている。
The light-emitting
また、フォトニック結晶層7においては、孔8の内部には空気が存在し、絶縁膜などは充填されていない状態となっている。また、n型表面電極10は、フォトニック結晶層7の上部全体を覆うように形成される。このような構成の発光素子1によっても、図15〜図18に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
In the
次に、図22および図23に示した発光素子1の製造方法を、図24〜図27を参照して説明する。図24〜図27は、図22および図23に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
Next, a method for manufacturing the light-emitting
まず、先に説明した図7および図8と同様の工程を実施する。その後、フォトニック結晶層7となるべきn型半導体層17(図24参照)上に電極となるべき導電体層18(図24参照)を形成する。また、基板2の裏面側の外周部上に位置するようにn型裏面電極9(図24参照)を形成する。具体的には、n型裏面電極9の開口部13を形成するため、当該開口部13が形成されるべき基板2の裏面の領域上には予めレジストを形成する。そして、当該レジストの上部表面上と基板2の裏面のうち露出している部分上にn型裏面電極9となるべき導電体膜を形成する。当該導電体膜のうち、レジスト上に形成された部分を、レジストとともに除去する(リフトオフ)ことにより、図24に示すような構造を得る。
First, the same steps as those in FIGS. 7 and 8 described above are performed. Thereafter, a conductor layer 18 (see FIG. 24) to be an electrode is formed on the n-type semiconductor layer 17 (see FIG. 24) to be the
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、導電体層18上にパターンを有するレジスト19(図25参照)を形成する。このようにして、図25に示すような構造を得る。なお、レジスト19において形成される開口パターンは、フォトニック結晶層7(図22参照)において形成されるべき孔8の位置上に位置し、当該孔8の平面形状と同じ平面形状を有するように形成される。
Next, a resist 19 having a pattern (see FIG. 25) is formed on the
次に、レジスト19をマスクとして用いて、導電体層18およびn型半導体層17を部分的に除去する。この結果、図26に示すように、孔8が形成される。
Next, the
次に、レジスト19を除去する。この結果、図27に示すような構造を得る。すなわち、孔8が形成されたフォトニック結晶層7と、当該孔8上に開口部を有する導電体膜部分22とが形成される。
Next, the resist 19 is removed. As a result, a structure as shown in FIG. 27 is obtained. That is, the
次に、めっき法により、導電体膜部分22上にn型表面電極10となるべき金属膜を形成する。その結果、孔8は空気が存在する状態で維持され、当該孔8の上部を塞ぐように導電体膜が形成される。このようにして、n型表面電極10(図22参照)が形成される。この結果、図22および図23に示すような発光素子1を得ることができる。
Next, a metal film to be the n-
図28は、図22および図23に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。図28を参照して、図22および図23に示した発光素子の変形例を説明する。 FIG. 28 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the light emitting device illustrated in FIGS. 22 and 23. With reference to FIG. 28, a modification of the light-emitting element shown in FIGS. 22 and 23 will be described.
図28に示した発光素子1は、基本的には図22および図23に示した発光素子1と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層7の構造が異なっている。すなわち、フォトニック結晶層7においては、孔8の内部が、フォトニック結晶層7を構成するn型半導体層の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率材料であるシリコン酸化膜20によって充填されている。このような構成によっても、図22および図23に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
The light-emitting
図29および図30は、図28に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図29および図30を参照して、図28に示した発光素子1の製造方法を説明する。
29 and 30 are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing the light-emitting element shown in FIG. With reference to FIG. 29 and FIG. 30, the manufacturing method of the
まず、図24〜図26に示す工程を実施する。その後、レジスト19が残存した状態で、図29に示すように当該レジスト19の上部表面上および孔8の内部を充填するようにシリコン酸化膜20を形成する。この結果、図29に示すような構造を得る。
First, the steps shown in FIGS. 24 to 26 are performed. Thereafter, with the resist 19 remaining, a
その後、レジスト19とともに、当該レジスト19上に形成されたシリコン酸化膜20の部分を除去する(リフトオフ)ことにより、図30に示すような構造を得る。
Thereafter, the
この後、導電体膜部分22(図30参照)上に、めっき法により導電体膜を形成することにより、n型表面電極10(図28参照)を形成する。このようにして、図28に示す発光素子を得ることができる。 Thereafter, an n-type surface electrode 10 (see FIG. 28) is formed by forming a conductor film on the conductor film portion 22 (see FIG. 30) by plating. In this way, the light emitting element shown in FIG. 28 can be obtained.
(実施の形態4)
図31は、本発明による発光素子の実施の形態4を示す断面模式図である。図32は、図31に示した発光素子のn型表面電極を示す平面模式図である。図31および図32を参照して、本発明による発光素子の実施の形態4を説明する。
(Embodiment 4)
FIG. 31 is a schematic cross-sectional
図31および図32に示した発光素子1は、基本的には図1〜図3に示した発光素子と同様の構造を備えるが、n型表面電極10の形状およびフォトニック結晶層7上にn型コンタクト層41が形成されている点が異なる。すなわち、図31および図32に示した発光素子1では、基板2の上部表面上にn型バッファ層3、量子カスケード活性層4、n型ガイド層5およびフォトニック結晶層7が積層され、さらにこのフォトニック結晶層7の上部表面上にn型コンタクト層41が形成される。このn型コンタクト層41としては、たとえばn型のInPからなる層を用いることができる。そして、基板2の裏面側を覆うようにn型裏面電極9が形成され、n型コンタクト層41の上部表面上において、発光素子1のほぼ中央部に平面形状が円形状のn型表面電極10が形成される。図31および図32に示した発光素子1は、矢印11に示す方向に光が出射される。このような構成によっても、図1〜図3に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
The
次に、図33〜図37を参照して、図31および図32に示した発光素子の製造方法を説明する。図33〜図37は、図31および図32に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 Next, a method for manufacturing the light-emitting element shown in FIGS. 31 and 32 will be described with reference to FIGS. 33 to 37 are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing the light-emitting element shown in FIGS. 31 and 32.
まず、図7および図8に示す工程と同様の工程を実施した後、図33に示すように、フォトニック結晶層7(図31参照)となるべきn型半導体層17上にパターンを有するレジスト19を形成する。このレジスト19において形成される開口パターンは図31に示した発光素子1のフォトニック結晶層7における孔8が形成されるべき領域上に形成される。また、当該開口パターンの平面形状は、フォトニック結晶層7における孔8の平面形状と同様となっている。
First, after performing the same steps as shown in FIGS. 7 and 8, as shown in FIG. 33, a resist having a pattern on the n-
次に、レジスト19をマスクとして用いて、n型半導体層17を部分的にエッチングにより除去する。この結果、図34に示すようにn型半導体層17において孔8が形成される。
Next, the n-
その後、レジスト19を除去することにより、図35に示すように、孔8が形成されたフォトニック結晶層7を得ることができる。
Thereafter, by removing the resist 19, the
一方、図36に示すように、別の基板42を準備し、当該基板42の主表面上にたとえばエピタキシャル成長法を用いてn型コンタクト層41を形成する。そして、このn型コンタクト層41が形成された基板42を、当該n型コンタクト層41が図35に示したフォトニック結晶層7と対向するように基板42を反転させて図35に示したフォトニック結晶層7の上部表面上に当接させる。さらに、互いに接触したフォトニック結晶層7とn型コンタクト層41とを加熱することにより融着させる。その後、基板42をn型コンタクト層41から除去する。この結果、図37に示すように、フォトニック結晶層7上にn型コンタクト層41が配置された構造を得る。
On the other hand, as shown in FIG. 36, another
その後、従来公知の蒸着法などを用いてn型裏面電極9(図31参照)およびn型表面電極10(図32参照)を形成する。この結果、図31および図32に示す発光素子1を得ることができる。
Thereafter, the n-type back electrode 9 (see FIG. 31) and the n-type front electrode 10 (see FIG. 32) are formed using a conventionally known vapor deposition method or the like. As a result, the
図38は、図31および図32に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。図38を参照して、図31および図32に示した発光素子の変形例を説明する。 FIG. 38 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the light emitting device illustrated in FIGS. 31 and 32. With reference to FIG. 38, the modification of the light emitting element shown to FIG. 31 and FIG. 32 is demonstrated.
図38に示すように、発光素子1は、基本的には図31および図32に示した発光素子1と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層7において孔8の内部がシリコン酸化膜20で充填されている点が異なる。このような構造によっても、図31および図32に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
As shown in FIG. 38, the light-emitting
図に、図38に示した発光素子の製造方法を説明する。図39〜図41は、図38に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 The method for manufacturing the light emitting device shown in FIG. 39 to 41 are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing the light-emitting element shown in FIG.
まず、図33〜図34に示す工程を実施した後、図39に示すようにレジスト19の上部表面上および孔8の内部を充填するようにシリコン酸化膜20を形成する。シリコン酸化膜20はたとえば蒸着法を用いて形成することができる。
First, after performing the steps shown in FIGS. 33 to 34, a
その後、レジスト19とともに、レジスト19上に形成されたシリコン酸化膜20を除去(リフトオフ)することにより、図40に示すような構造を得る。すなわち、図40に示すように、上述した工程によって孔8の内部にシリコン酸化膜20が充填されたフォトニック結晶層7を得ることができる。
Thereafter, together with the resist 19, the
その後、フォトニック結晶層7上において再度エピ成長を行なうことにより、n型コンタクト層41を形成する。この結果、図41に示すような構造を得る。すなわち、フォトニック結晶層7上にn型コンタクト層41が配置された構造を得る。
Thereafter, the n-
この後、n型裏面電極9およびn型表面電極10を従来周知の方法を用いて形成することにより、図38に示す発光素子1を得ることができる。
Thereafter, the n-type back
(実施の形態5)
図42は、本発明による発光素子の実施の形態5を示す断面模式図である。図42を参照して、本発明による発光素子の実施の形態を説明する。図42に示すように、発光素子1は、基板2と、基板2の上部表面上に形成されたn型バッファ層3と、n型バッファ層3上に形成されたフォトニック結晶層7と、フォトニック結晶層7上に形成されたn型ガイド層5と、n型ガイド層5上に形成された量子カスケード活性層4と、量子カスケード活性層4上に形成されたn型コンタクト層41と、n型コンタクト層41上に形成されたn型表面電極10と、基板2の裏面(基板2においてn型バッファ層3が形成された上部表面と反対側に位置する裏面)に形成されたn型裏面電極9とを備える。基板2からみて、量子カスケード活性層4は、2次元回折格子としてのフォトニック結晶層7より遠くに位置している。なお、n型裏面電極9の平面形状は図18に示したn型裏面電極9の平面形状と同様であり、四角形状になっている。また、n型表面電極10の平面形状は、図17に示したn型表面電極10の平面形状と同様である。
(Embodiment 5)
FIG. 42 is a schematic cross-sectional
基板2としてはたとえばn型のガリウム砒素(GaAs)基板を用いることができる。また、n型バッファ層3、n型ガイド層5、n型コンタクト層41を構成する材料としては上述したGaAsを用いることができる。このような発光素子1においても、図1〜図3に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
As the
次に、図42に示した発光素子の製造方法を説明する。図43〜図48は、図42に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図43〜図48を参照して、図42に示した発光素子の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the light-emitting element shown in FIG. 42 will be described. 43 to 48 are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing the light-emitting element shown in FIG. A method for manufacturing the light emitting device shown in FIG. 42 will be described with reference to FIGS.
まず、基板2の上部表面上にn型バッファ層3(図42参照)およびフォトニック結晶層7(図42参照)となるべきn型半導体層17(図43参照)を形成する。このようにして、図43に示すような構造を得る。
First, the n-type buffer layer 3 (see FIG. 42) and the n-type semiconductor layer 17 (see FIG. 43) to be the photonic crystal layer 7 (see FIG. 42) are formed on the upper surface of the
この後、n型半導体層17上にパターンを有するレジスト19(図44参照)を形成する。レジスト19におけるパターンは、開口パターンであって、フォトニック結晶層7に形成される孔8と重なる位置に形成される。また、当該開口パターンの平面形状は形成されるべき孔8の平面形状と同様になっている。このようにして、図44に示す構造を得る。
Thereafter, a resist 19 (see FIG. 44) having a pattern is formed on the n-
そして、レジスト19をマスクとして用いて、n型半導体層17を部分的に除去することにより、図45に示すように孔8を形成する。
Then, by using resist 19 as a mask, n-
この後、レジスト19を除去する。このようにして、図46に示すような構造を得る。つまり、図46に示すように、n型バッファ層3上に孔8を有するフォトニック結晶層7が形成された状態となる。
Thereafter, the resist 19 is removed. In this way, a structure as shown in FIG. 46 is obtained. That is, as shown in FIG. 46, the
そして、図47に示すように、別途基板42を準備し、当該基板42上にn型コンタクト層41、量子カスケード活性層4、n型ガイド層5を順次積層した構造を準備する。そして、当該基板42を、反転させ、n型ガイド層5がフォトニック結晶層7と接触するように基板42を基板2上に配置する。そして、加熱することによりフォトニック結晶層7とn型ガイド層5とを融着させる。その後基板42をn型コンタクト層41から剥離させる。この結果、図48に示すような構造を得る。そして、従来周知の方法によりn型裏面電極9およびn型表面電極10を形成することにより、図42に示す発光素子1を得ることができる。
47, a
図49は、図42に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。図49を参照して、図42に示した発光素子の変形例を説明する。 FIG. 49 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the light emitting device shown in FIG. A modification of the light emitting element shown in FIG. 42 will be described with reference to FIG.
図49に示した発光素子1は、基本的には図42に示した発光素子1と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層7において孔8の内部にシリコン酸化膜20が充填されている点が異なる。このようにしても、図42に示した発光素子1と同様の効果を得ることができる。
The
次に、図49に示した発光素子1の製造方法を説明する。図50〜図52は、図49に示した発光素子1の製造方法を説明するための断面模式図である。図50〜図52を参照して、図49に示した発光素子1の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the light-emitting
まず、図43〜図45に示す工程を実施する。その後、図50に示すように、レジスト19の上部表面上および孔8の内部を充填するようにシリコン酸化膜20を形成する。この結果、図50に示すような構造を得る。
First, the steps shown in FIGS. 43 to 45 are performed. Thereafter, as shown in FIG. 50,
その後、レジスト19を剥離することにより、レジスト19上に位置するシリコン酸化膜20も同時に除去する(リフトオフ)。この結果、図51に示すように、孔8の内部にシリコン酸化膜20が充填されたフォトニック結晶層7を得ることができる。
Thereafter, the resist 19 is removed to remove the
その後、フォトニック結晶層7の上部表面上において再度エピ成長を行ない、n型ガイド層5、量子カスケード活性層4およびn型コンタクト層41を形成する。この結果、図52に示すような構造を得る。その後、従来周知の方法により、n型裏面電極9およびn型表面電極10をそれぞれ形成することにより、図49に示すような発光素子1を得ることができる。
Thereafter, epitaxial growth is performed again on the upper surface of the
(実施例1)
本発明による発光素子の効果を確認するため、開放孔型表面フォトニック結晶形成QC(量子カスケード)レーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザパルス発振を確認した。具体的には、試料として図1〜3、図12、図14に示した構造の発光素子A〜発光素子Cを形成した。
Example 1
In order to confirm the effect of the light emitting device according to the present invention, a sample having an open hole surface photonic crystal-forming QC (quantum cascade) laser structure was prepared, and laser pulse oscillation at room temperature was confirmed. Specifically, the light emitting elements A to C having the structures shown in FIGS. 1 to 3, 12, and 14 were formed as samples.
(試料の製造方法)
発光素子Aについて:
n型の(001)面InP基板を準備した。そして、分子線エピタキシー法(MBE法)を用いて、InP基板側から、格子整合n型InGaAsバッファー層(100nm)/量子カスケード(QC)活性層/格子整合n型InGaAsガイド層(500nm)/n型InP層(1μm)という構造のエピウェハ(エピタキシャル層付基板)を作製した。なお、量子カスケード活性層の構造は、バリア層をAlInAs(Al組成0.48)とし、ウエル層をInGaAs(Ga組成0.47)とし、高バイアス側であるn型表面電極10側から低バイアス側であるn型裏面電極9に向けて、バリア層/(ウエル層)/バリア層/(ウエル層)/・・・と交互に積層された構成を採用した。また、これらの各層の厚みは5nm/(1nm)/1.5nm/(4.5nm)/2nm/(4nm)/3nm/(2.5nm)/2.5nm/(2.2nm)/2.2nm/(2nm)/2nm/(2nm)/2.2nm/(2nm)/3nm/(2nm)とした18層からなる積層構造を1周期とし、この周期を30周期繰返した構成を採用した。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約1440nmとなった。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
(Sample manufacturing method)
Regarding the light emitting element A:
An n-type (001) plane InP substrate was prepared. Then, using molecular beam epitaxy (MBE), from the InP substrate side, the lattice-matched n-type InGaAs buffer layer (100 nm) / quantum cascade (QC) active layer / lattice-matched n-type InGaAs guide layer (500 nm) / n An epitaxial wafer (substrate with an epitaxial layer) having a structure of a type InP layer (1 μm) was produced. The quantum cascade active layer has a structure in which the barrier layer is AlInAs (Al composition 0.48), the well layer is InGaAs (Ga composition 0.47), and the n-
n型InP層は、フォトニック結晶層となるべきn型半導体層である。この最表面(n型InP層の上部表面上)にn型表面電極、裏面側にn型裏面電極を形成した。これらの電極は、いずれも300nm厚の金−ゲルマニウム−ニッケル合金(Au-Ge-Ni合金)を用いた。さらに、表面側のn型表面電極の上にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには、開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクにドライエッチング法にて、n型表面電極とn型InP層に孔を開けた。このようにして、n型InP層によりフォトニック結晶層が構成される。当該フォトニック結晶層における孔は三角格子の格子点に位置し、格子定数が1.8μm、空気充填率15%である。なお、孔(空気孔)の平面形状は直径730nmの円形状)であった。また、孔は垂直方向での深さが1μmとなった。フォトニック結晶層の面内の領域サイズは1mm角とした。このようにして、図1〜図3に示した構造の試料である発光素子Aを作成した。 The n-type InP layer is an n-type semiconductor layer to be a photonic crystal layer. An n-type surface electrode was formed on the outermost surface (on the upper surface of the n-type InP layer), and an n-type back electrode was formed on the back side. Each of these electrodes was a gold-germanium-nickel alloy (Au—Ge—Ni alloy) having a thickness of 300 nm. Further, a resist pattern was formed on the n-type surface electrode on the surface side by photolithography. A plurality of opening patterns were formed in the resist. Using the resist as a mask, holes were made in the n-type surface electrode and the n-type InP layer by dry etching. In this way, a photonic crystal layer is constituted by the n-type InP layer. The holes in the photonic crystal layer are located at the lattice points of the triangular lattice, the lattice constant is 1.8 μm, and the air filling rate is 15%. The plane shape of the hole (air hole) was a circular shape having a diameter of 730 nm. The depth of the hole in the vertical direction was 1 μm. The in-plane region size of the photonic crystal layer was 1 mm square. In this manner, a light-emitting element A, which is a sample having the structure shown in FIGS.
発光素子Bについて:
上述した発光素子Aの製造方法のうち、ドライエッチング法によりn型表面電極とn型InP層に孔を開ける工程までを実施した。このため、量子カスケード活性層の構成は発光素子Aと同様である。その後、表面保護のために、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜(SiO2)を1μm厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。このようにして、図12に示した構造の発光素子Bを得た。
Regarding light-emitting element B:
Of the manufacturing method of the light-emitting element A described above, the process up to the step of forming holes in the n-type surface electrode and the n-type InP layer by dry etching was performed. For this reason, the configuration of the quantum cascade active layer is the same as that of the light emitting element A. Thereafter, in order to protect the surface, a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 1 μm was deposited on the inside of the hole and the upper surface of the resist while leaving the resist remaining. Then, the silicon oxide film other than the inside of the hole was removed together with the resist by the lift-off method. In this way, a light emitting device B having the structure shown in FIG. 12 was obtained.
発光素子Cについて:
上述した発光素子Aの製造方法を実施した後、さらに、直列抵抗成分の低減のために、n型表面電極上に電界メッキ法にて金をメッキし、n型表面電極の厚みを1μmまで増した。この時、フォトニック結晶層の孔(空気孔)は開放されたままであった。このようにして、図14に示す構造の発光素子Cを製造した。なお、量子カスケード活性層の構成は発光素子Aと同様である。
Regarding light-emitting element C:
After carrying out the manufacturing method of the light-emitting element A described above, in order to further reduce the series resistance component, gold is plated on the n-type surface electrode by electroplating to increase the thickness of the n-type surface electrode to 1 μm. did. At this time, the holes (air holes) in the photonic crystal layer remained open. Thus, the light emitting device C having the structure shown in FIG. 14 was manufactured. The configuration of the quantum cascade active layer is the same as that of the light emitting element A.
(測定)
上述した3種の発光素子A〜Cに適度なバイアス下のもと電流を流して上方から観察したところ、閾値電流密度は1.2kA/cm2にて室温パルス発振を確認した。発振したレーザ光の発振波長は5μmの単一波長であった。
(Measurement)
When a current was passed through the above-described three types of light emitting devices A to C under an appropriate bias and observed from above, room temperature pulse oscillation was confirmed at a threshold current density of 1.2 kA / cm 2 . The oscillation wavelength of the oscillated laser beam was a single wavelength of 5 μm.
(実施例2)
本発明による発光素子の効果を確認するため、金属/半導体表面フォトニック結晶形成QCレーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザパルス発振を確認した。具体的には、試料として図15に示した構造の発光素子Dを形成した。
(Example 2)
In order to confirm the effect of the light emitting device according to the present invention, a metal / semiconductor surface photonic crystal-formed QC laser structure sample was prepared, and laser pulse oscillation at room temperature was confirmed. Specifically, a light emitting element D having the structure shown in FIG. 15 was formed as a sample.
(試料の製造方法)
発光素子Dについて:
実施例1と同様に、n型の(001)面InP基板を準備した。そして、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて、InP基板側から実施例1と同様に格子整合n型InGaAsバッファー層(100nm)/量子カスケード(QC)活性層/格子整合n型InGaAsガイド層(500nm)/n型InP層(1μm)という構造のエピウェハ(エピタキシャル層付基板)を作製した。なお、量子カスケード活性層の構成は、実施例1における発光素子Aの量子カスケード活性層の構成と同様とした。そして、基板の裏面側に500μm角の窓が形成されたn型裏面電極を形成した。また、両面マスクアライナーを用いて、n型InP層にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには、開口パターンを複数形成した。そして、レジストをマスクにドライエッチング法にて、n型InP層を部分的に除去することにより孔を作製した。この孔は三角格子の格子点に位置し、また、当該孔が形成された領域はn型裏面電極の窓の領域と重なる位置とした。
(Sample manufacturing method)
Regarding the light emitting element D:
Similar to Example 1, an n-type (001) plane InP substrate was prepared. Then, using the metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), the lattice matched n-type InGaAs buffer layer (100 nm) / quantum cascade (QC) active layer / lattice matched n-type InGaAs from the InP substrate side as in the first embodiment. An epi wafer (substrate with an epitaxial layer) having a structure of a guide layer (500 nm) / n-type InP layer (1 μm) was produced. The configuration of the quantum cascade active layer was the same as the configuration of the quantum cascade active layer of the light emitting device A in Example 1. And the n-type back electrode in which the window of 500 micrometers square was formed in the back surface side of the board | substrate was formed. Further, a resist pattern was formed on the n-type InP layer by photolithography using a double-sided mask aligner. A plurality of opening patterns were formed in the resist. Then, a hole was made by partially removing the n-type InP layer by a dry etching method using the resist as a mask. The holes are positioned at the lattice points of the triangular lattice, and the region where the holes are formed overlaps the window region of the n-type back electrode.
具体的には、当該孔が形成された領域は500μm角の四角形状とした。このような孔が形成されたn型InP層からなるフォトニック結晶層では、上記三角格子の格子定数は1.8μm、空気充填率22%である。なお、孔の平面形状は直径890nmの円形状であった。また、孔の垂直方向での深さは1μmとなっていた。 Specifically, the region in which the hole was formed was a 500 μm square shape. In a photonic crystal layer composed of an n-type InP layer in which such holes are formed, the triangular lattice has a lattice constant of 1.8 μm and an air filling rate of 22%. The planar shape of the hole was a circular shape having a diameter of 890 nm. The depth of the hole in the vertical direction was 1 μm.
そして、フォトニック結晶層上に2μm厚のn型表面電極を、直接蒸着法にて形成した。この結果、図15に示すように孔はn型表面電極を構成する金属材料により埋まっている状態となった。 Then, an n-type surface electrode having a thickness of 2 μm was formed on the photonic crystal layer by a direct vapor deposition method. As a result, as shown in FIG. 15, the hole was filled with the metal material constituting the n-type surface electrode.
(測定)
上記発光素子Dに適度なバイアス下のもと電流を流して、裏面側から観察したところ、閾値電流密度は4kA/cm2にて室温パルス発振を達成した。発振したレーザ光の波長は5.15μmの単一波長であった。
(Measurement)
When a current was passed through the light emitting element D under an appropriate bias and observed from the back side, room temperature pulse oscillation was achieved at a threshold current density of 4 kA / cm 2 . The wavelength of the oscillated laser beam was a single wavelength of 5.15 μm.
(実施例3)
本発明による発光素子の効果を確認するため、表面側フォトニック結晶埋め込みQCレーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザ発振を確認した。具体的には、試料として図22および図28に示した構造の発光素子E、Fを形成した。
(Example 3)
In order to confirm the effect of the light emitting device according to the present invention, a sample having a surface-side photonic crystal embedded QC laser structure was prepared, and laser oscillation at room temperature was confirmed. Specifically, light emitting elements E and F having the structure shown in FIGS. 22 and 28 were formed as samples.
(試料の製造方法)
発光素子Eについて:
実施例1と同様に、n型の(001)面InP基板を準備した。そして、MBE法を用いて、InP基板側から、n型InPバッファー層(2μm)/量子カスケード(QC)活性層/格子整合n型InGaAsガイド層(1μm)/n型InP層(2μm)という構造のエピウェハを作製した。ここで、量子カスケード活性層の構成は、上述した発光素子Aと同様に、バリア層をAlInAs(Al組成0.48)とし、ウエル層をInGaAs(Ga組成0.47)とした場合に、高バイアス側であるn型表面電極10側から低バイアス側であるn型裏面電極9に向けて、バリア層/(ウエル層)/バリア層/(ウエル層)/・・・と交互に積層された構成を採用した。また、これらの各層の厚みは4nm/(2nm)/1nm/(7.5nm)/1.5nm/(5.5nm)/2.5nm/(4.5nm)/1.5nm/(3.5nm)/1.2nm/(3.5nm)/2nm/(4nm)とした14層からなる積層構造を1周期とし、この周期を50周期繰返した構成とした。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約2200nmとなった。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
(Sample manufacturing method)
Regarding light-emitting element E:
Similar to Example 1, an n-type (001) plane InP substrate was prepared. Then, using the MBE method, from the InP substrate side, the structure of n-type InP buffer layer (2 μm) / quantum cascade (QC) active layer / lattice-matched n-type InGaAs guide layer (1 μm) / n-type InP layer (2 μm) An epiwafer was prepared. Here, the configuration of the quantum cascade active layer is high when the barrier layer is made of AlInAs (Al composition 0.48) and the well layer is made of InGaAs (Ga composition 0.47), similar to the light emitting element A described above. Barrier layers / (well layers) / barrier layers / (well layers) /... Were alternately laminated from the n-type
このn形InP層の表面にn型表面電極を形成した。また、InP基板の裏面側に窓(開口部)が形成されたn型裏面電極を形成した。これらの電極は、いずれも300nm厚のAu‐Ge‐Ni合金を用いた。 An n-type surface electrode was formed on the surface of this n-type InP layer. Further, an n-type back electrode having a window (opening) formed on the back side of the InP substrate was formed. Each of these electrodes was an Au-Ge-Ni alloy having a thickness of 300 nm.
続いて、n型表面電極の上にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクとして用いたドライエッチング法にて、n型表面電極とn型InP層に孔を形成した。このようにして、n型InP層によりフォトニック結晶層が構成される。フォトニック結晶層の孔は三角格子の格子点に位置し、格子定数が2.8μm、空気充填率15%である。なお、孔(空気孔)の平面形状は直径1.14μmの円形状である。また、空気孔の垂直方向での深さは1.5μmとなった。 Subsequently, a resist pattern was formed on the n-type surface electrode by photolithography. A plurality of opening patterns were formed in the resist. Holes were formed in the n-type surface electrode and the n-type InP layer by a dry etching method using the resist as a mask. In this way, a photonic crystal layer is constituted by the n-type InP layer. The holes in the photonic crystal layer are located at the lattice points of the triangular lattice, the lattice constant is 2.8 μm, and the air filling rate is 15%. The planar shape of the hole (air hole) is a circular shape having a diameter of 1.14 μm. The depth of the air holes in the vertical direction was 1.5 μm.
フォトニック結晶の面内の領域サイズ(孔が形成された領域(フォトニック結晶領域)の平面形状のサイズ)は1mm角とした。またn型裏面電極は、このフォトニック結晶領域の真下に1mm角の窓が開いているものとした。 The region size in the plane of the photonic crystal (the size of the planar shape of the region where the hole was formed (photonic crystal region)) was 1 mm square. In addition, the n-type back electrode is assumed to have a 1 mm square window opened directly below the photonic crystal region.
最後に電界メッキ法により、n型表面電極上に金をメッキして、n型表面電極の厚みを2μm程度にした。また、このメッキ法により形成された金の膜により、孔の内部では空隙を保持しつつ孔の上面部が塞がれた。このようにして、図22に示した構造の試料である発光素子Eを作成した。 Finally, gold was plated on the n-type surface electrode by electroplating to make the thickness of the n-type surface electrode about 2 μm. In addition, the gold film formed by this plating method closed the upper surface of the hole while maintaining the void inside the hole. In this way, a light-emitting element E which is a sample having the structure shown in FIG. 22 was produced.
発光素子Fについて:
上記発光素子Eの製造方法と同様に、ドライエッチング法にてn型表面電極とn型InP層に孔を開ける工程までを実施した。なお、量子カスケード活性層の構造は発光素子Fの量子カスケード活性層と同様とした。その後、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜(SiO2)を1.5μm厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。さらに、蒸着法により金をn型表面電極の上部表面の全面に蒸着した。このようにして、図28に示した構造の試料である発光素子Eを作成した。
Regarding the light emitting element F:
Similar to the manufacturing method of the light-emitting element E, the process up to the step of forming holes in the n-type surface electrode and the n-type InP layer was performed by dry etching. The structure of the quantum cascade active layer was the same as that of the quantum cascade active layer of the light emitting element F. Thereafter, with the resist remaining, a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 1.5 μm was deposited inside the hole and on the upper surface of the resist. Then, the silicon oxide film other than the inside of the hole was removed together with the resist by the lift-off method. Further, gold was deposited on the entire upper surface of the n-type surface electrode by a vapor deposition method. In this way, a light-emitting element E which is a sample having the structure shown in FIG. 28 was produced.
(測定)
作成した2種の発光素子E、Fに適度なバイアス下のもと電流を流して裏面側から観察したところ、空気孔構造の発光素子Eでは閾値電流密度は2kA/cm2にて室温パルス発振を確認できた。また、SiO2柱構造の発光素子Fでは、閾値電流密度2.7kA/cm2にて室温連続発振を達成した。発振したレーザ光の発振波長はいずれも8μmの単一波長であった。
(Measurement)
When current was applied to the two light-emitting elements E and F produced under an appropriate bias and observed from the back side, the light-emitting element E having an air hole structure had a threshold current density of 2 kA / cm 2 and room temperature pulse oscillation. Was confirmed. In addition, in the light-emitting element F having a SiO 2 pillar structure, room temperature continuous oscillation was achieved at a threshold current density of 2.7 kA / cm 2 . The oscillation wavelength of the oscillated laser beam was a single wavelength of 8 μm.
(実施例4)
本発明による発光素子の効果を確認するため、表面側フォトニック結晶埋め込みQCレーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザ発振を確認した。具体的には、試料として図31および図38に示した構造と類似の構造を有する発光素子G、Hを形成した。
Example 4
In order to confirm the effect of the light emitting device according to the present invention, a sample having a surface-side photonic crystal embedded QC laser structure was prepared, and laser oscillation at room temperature was confirmed. Specifically, light emitting elements G and H having structures similar to those shown in FIGS. 31 and 38 were formed as samples.
(試料の製造方法)
発光素子Gについて:
実施例1と同様に、n型の(001)面InP基板を準備した。そして、MBE法を用いて、InP基板側から、n型InPバッファー層(2μm)/量子カスケード(QC)活性層/格子整合n型InGaAsガイド層(1μm)/n型InP層(1.5μm)という構造のエピウェハを作製した。なお、量子カスケード活性層の構成は、上述した発光素子Eにおける量子カスケード活性層の構成と同様とした。このn型InP層の表面にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクとして用いてドライエッチング法にて、n型InP層に複数の孔を開けた。このようにして、n型InP層によりフォトニック結晶層が構成される。フォトニック結晶層の孔は三角格子の格子点に位置し、格子定数が2.8μm、空気充填率15%である。また、孔(空気孔)の平面形状は直径1.14μmの円形状である。そして、孔の垂直方向での深さは1.5μmとなった。フォトニック結晶の面内の領域サイズ(孔が形成された領域であるフォトニック結晶領域)は直径が1mmの円形状とした。
(Sample manufacturing method)
Regarding the light emitting element G:
Similar to Example 1, an n-type (001) plane InP substrate was prepared. Then, using the MBE method, from the InP substrate side, n-type InP buffer layer (2 μm) / quantum cascade (QC) active layer / lattice-matched n-type InGaAs guide layer (1 μm) / n-type InP layer (1.5 μm) An epi-wafer with the structure was fabricated. Note that the configuration of the quantum cascade active layer was the same as the configuration of the quantum cascade active layer in the light-emitting element E described above. A resist pattern was formed on the surface of the n-type InP layer by photolithography. A plurality of opening patterns were formed in the resist. A plurality of holes were formed in the n-type InP layer by dry etching using the resist as a mask. In this way, a photonic crystal layer is constituted by the n-type InP layer. The holes in the photonic crystal layer are located at the lattice points of the triangular lattice, the lattice constant is 2.8 μm, and the air filling rate is 15%. The planar shape of the hole (air hole) is a circular shape having a diameter of 1.14 μm. The depth in the vertical direction of the hole was 1.5 μm. The in-plane region size of the photonic crystal (photonic crystal region in which holes are formed) was a circular shape having a diameter of 1 mm.
続いて1μm厚のn型InGaAsコンタクト層と0.5μm厚のn型InP層とを表面にエピ成長したInP基板(別基板)を別途準備する。そして、別基板を反転させて、n型InP層をフォトニック結晶層(n型InP層)に接触させてから加熱する融着法により、n型InP層をフォトニック結晶層に融着させる。その後、別基板であるInP基板を選択エッチング法により除去した。 Subsequently, an InP substrate (separate substrate) in which an n-type InGaAs contact layer having a thickness of 1 μm and an n-type InP layer having a thickness of 0.5 μm are epitaxially grown on the surface is prepared separately. Then, the n-type InP layer is fused to the photonic crystal layer by inverting the other substrate and bringing the n-type InP layer into contact with the photonic crystal layer (n-type InP layer) and then heating. Thereafter, the InP substrate as another substrate was removed by a selective etching method.
最後に、n型InGaAsコンタクト層の最表面にn型表面電極を形成し、InP基板の裏面側にn型裏面電極を形成した。これらの電極は、いずれも300nm厚のAu‐Ge‐Ni合金を用いた。 Finally, an n-type surface electrode was formed on the outermost surface of the n-type InGaAs contact layer, and an n-type back electrode was formed on the back side of the InP substrate. Each of these electrodes was an Au-Ge-Ni alloy having a thickness of 300 nm.
発光素子Hについて:
上記発光素子Gの製造方法と同様に、ドライエッチング法にてn型InP層に孔を開ける工程までを実施した。なお、量子カスケード活性層の構成は、上述した発光素子Eにおける量子カスケード活性層の構成と同様とした。その後、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜(SiO2)を1.5μm厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。そして、シリコン酸化膜が孔の内部に充填されたフォトニック結晶層上において、MOCVD法により再度エピ成長を実施し、0.5μm厚のn型InP層と1μm厚のn型InGaAsコンタクト層を形成する。そして、n型InGaAsコンタクト層の最表面にn型表面電極を形成し、InP基板の裏面側にn型裏面電極を形成した。
About the light emitting element H:
Similar to the manufacturing method of the light-emitting element G, the process up to the step of forming a hole in the n-type InP layer by dry etching was performed. Note that the configuration of the quantum cascade active layer was the same as the configuration of the quantum cascade active layer in the light-emitting element E described above. Thereafter, with the resist remaining, a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 1.5 μm was deposited inside the hole and on the upper surface of the resist. Then, the silicon oxide film other than the inside of the hole was removed together with the resist by the lift-off method. Then, epitaxial growth is again performed by MOCVD on the photonic crystal layer in which the silicon oxide film is filled in the hole, thereby forming a 0.5 μm thick n-type InP layer and a 1 μm thick n-type InGaAs contact layer. To do. Then, an n-type surface electrode was formed on the outermost surface of the n-type InGaAs contact layer, and an n-type back electrode was formed on the back side of the InP substrate.
(測定)
作成した2種の発光素子G、Hに適度なバイアス下のもと電流を流して上方から観察したところ、空気孔構造の発光素子Gでは閾値電流密度が2kA/cm2にて室温パルス発振を確認した。また、SiO2柱構造の発光素子Hでは閾値電流密度が2.7kA/cm2にて室温連続発振を達成した。発振したレーザ光の発振波長はいずれも8μmの単一波長であった。
(Measurement)
When an electric current was applied to the two light emitting elements G and H produced under an appropriate bias and observed from above, the light emitting element G having an air hole structure exhibited room temperature pulse oscillation at a threshold current density of 2 kA / cm 2 . confirmed. In addition, the light emitting element H having a SiO 2 pillar structure achieved continuous room temperature oscillation at a threshold current density of 2.7 kA / cm 2 . The oscillation wavelength of the oscillated laser beam was a single wavelength of 8 μm.
(実施例5)
本発明による発光素子の効果を確認するため、基板側フォトニック結晶埋め込みQCレーザ構造の試料を作成し、液体窒素温度でのレーザ発振を確認した。具体的には、試料として図42および図49に示した構造を有する発光素子I、Jを形成した。
(Example 5)
In order to confirm the effect of the light-emitting element according to the present invention, a substrate-side photonic crystal embedded QC laser structure sample was prepared, and laser oscillation at liquid nitrogen temperature was confirmed. Specifically, light-emitting elements I and J having the structures shown in FIGS. 42 and 49 were formed as samples.
(試料の製造方法)
発光素子Iについて:
まず、n型の(001)面GaAs基板を準備した。そして、MOCVD法を用いて、GaAs基板側から、n型GaAsバッファー層(1μm)/n型GaAs層(3μm)のエピウェハを作製した。そして、n型GaAs層の表面にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。このレジストには開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクとして用いて、ドライエッチング法にて、n型GaAs層に孔を形成した。このようにして、n型GaAs層によりフォトニック結晶層が構成される。フォトニック結晶層の孔は正方格子の格子点に位置し、格子定数が21.1μm、空気充填率が15%である。なお、孔(空気孔)の平面形状は直径8.5μmの円形状である。そして、孔の垂直方向の深さは3μmとなった。フォトニック結晶の面内の領域サイズ(孔が形成された領域であるフォトニック結晶領域)は2mm角の四角形状とした。
(Sample manufacturing method)
Regarding the light emitting element I:
First, an n-type (001) plane GaAs substrate was prepared. Then, an epi-wafer of n-type GaAs buffer layer (1 μm) / n-type GaAs layer (3 μm) was produced from the GaAs substrate side using MOCVD. Then, a resist pattern was formed on the surface of the n-type GaAs layer by photolithography. A plurality of opening patterns were formed in this resist. Using the resist as a mask, holes were formed in the n-type GaAs layer by dry etching. In this way, a photonic crystal layer is constituted by the n-type GaAs layer. The holes of the photonic crystal layer are located at lattice points of a square lattice, the lattice constant is 21.1 μm, and the air filling rate is 15%. The planar shape of the hole (air hole) is a circular shape having a diameter of 8.5 μm. The vertical depth of the hole was 3 μm. The in-plane region size of the photonic crystal (photonic crystal region in which holes are formed) was a square shape of 2 mm square.
続いて、2μm厚のn型GaAsコンタクト層と量子カスケード(QC)活性層と2μm厚のn型GaAsガイド層とをエピ成長したGaAs基板(別基板)を別途準備する。なお、量子カスケード活性層の構成としては、バリア層をAlGaAs(Al組成0.15)とし、ウエル層をGaAsとした。そして高バイアス側であるn型表面電極10側から低バイアス側であるn型裏面電極9に向けて、バリア層/(ウエル層)/バリア層/(ウエル層)/・・・と交互に積層された構成を採用した。また、これらの各層の厚みは3nm/(18.5nm)/1nm/(15.5nm)/0.5nm/(13.5nm)/2.5nm/(13nm)/2nm/(12nm)/2.5nm/(11nm)/3nm/(10.5nm)とした14層からなる積層構造を1周期とし、この周期を100周期繰返した構成とした。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約10.8μmとなった。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
Subsequently, a GaAs substrate (separate substrate) obtained by epi-growing a 2 μm thick n-type GaAs contact layer, a quantum cascade (QC) active layer, and a 2 μm thick n-type GaAs guide layer is separately prepared. As the configuration of the quantum cascade active layer, the barrier layer was AlGaAs (Al composition 0.15), and the well layer was GaAs. The barrier layer / (well layer) / barrier layer / (well layer) /... Are alternately laminated from the n-
そして、別基板を反転させて、n型GaAsガイド層をフォトニック結晶層(n型GaAs層)に接触させてから加熱する融着法により、n型GaAs層をフォトニック結晶層に融着させる。その後、融着した側の別基板であるGaAs基板を選択エッチング法により除去した。 Then, the n-type GaAs layer is fused to the photonic crystal layer by reversing another substrate and bringing the n-type GaAs guide layer into contact with the photonic crystal layer (n-type GaAs layer) and then heating. . Thereafter, the GaAs substrate, which is another substrate on the fused side, was removed by a selective etching method.
最後に、n型GaAsコンタクト層の最表面にn型表面電極を形成し、GaAs基板の裏面側にn型裏面電極を形成した。n型表面電極の平面形状のサイズは2mm角とした。このn型表面電極は、上述したフォトニック結晶領域と重なるように形成される。またn型裏面電極は、このフォトニック結晶領域の真下に2mm角の窓(開口部)が開いているものとした。 Finally, an n-type surface electrode was formed on the outermost surface of the n-type GaAs contact layer, and an n-type back electrode was formed on the back side of the GaAs substrate. The size of the planar shape of the n-type surface electrode was 2 mm square. This n-type surface electrode is formed so as to overlap the above-described photonic crystal region. The n-type back electrode is assumed to have a 2 mm square window (opening) directly below the photonic crystal region.
発光素子Jについて:
上記発光素子Iの製造方法と同様に、ドライエッチング法にてn型GaAs層に孔を開ける工程までを実施した。この結果、発光素子Jにおける量子カスケード活性層の構成は上記発光素子Iにおける量子カスケード活性層の構成と同様である。その後、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜(SiO2)を3μm厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。そして、シリコン酸化膜が孔の内部に充填されたフォトニック結晶層上において、MOCVD法により再度エピ成長を実施し、2μm厚のn型GaAsガイド層とQC活性層と2μm厚のn型GaAsコンタクト層を形成する。
About light emitting element J:
Similar to the manufacturing method of the light-emitting element I, the process up to the step of forming a hole in the n-type GaAs layer by dry etching was performed. As a result, the configuration of the quantum cascade active layer in the light emitting device J is the same as the configuration of the quantum cascade active layer in the light emitting device I. Thereafter, a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 3 μm was deposited inside the hole and on the upper surface of the resist with the resist remaining. Then, the silicon oxide film other than the inside of the hole was removed together with the resist by the lift-off method. Then, the epitaxial growth is again performed by MOCVD on the photonic crystal layer in which the silicon oxide film is filled in the hole, the 2 μm thick n-type GaAs guide layer, the QC active layer, and the 2 μm thick n-type GaAs contact. Form a layer.
その後、発光素子Iと同様のサイズのn型表面電極をn型GaAsコンタクト層の表面に形成し、GaAs基板の裏面側にn型裏面電極を形成した。 Thereafter, an n-type front electrode having the same size as that of the light emitting element I was formed on the surface of the n-type GaAs contact layer, and an n-type back electrode was formed on the back side of the GaAs substrate.
(測定)
作成した2種の発光素子I、Jを液体窒素温度(77K)に冷やし、これらの発光素子に適度なバイアス下のもと電流を流して上方から観察したところ、空気孔構造の発光素子Iでは閾値電流密度は3kA/cm2にて低温パルス発振を確認した。また、SiO2柱構造の発光素子Jでは閾値電流密度が4.3kA/cm2にて低温パルス発振を達成した。発振したレーザ光の波長はいずれも70μm(4.3THz)の単一波長であった。
(Measurement)
The two light-emitting elements I and J thus prepared were cooled to liquid nitrogen temperature (77 K), and when current was passed through these light-emitting elements under an appropriate bias and observed from above, the light-emitting element I having an air hole structure was observed. Low temperature pulse oscillation was confirmed at a threshold current density of 3 kA / cm 2 . In addition, the light-emitting element J having a SiO 2 pillar structure achieved low-temperature pulse oscillation at a threshold current density of 4.3 kA / cm 2 . All of the oscillated laser beams had a single wavelength of 70 μm (4.3 THz).
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
この発明は、中赤外からテラヘルツ帯にわたる長波長領域のレーザ光を出射する発光素子に特に有利に適用される。 The present invention is particularly advantageously applied to a light-emitting element that emits laser light in a long wavelength range from the mid-infrared to the terahertz band.
1 発光素子、2,42 n型基板、3 n型バッファ層、4 量子カスケード活性層、5 n型ガイド層、7 フォトニック結晶層、8 孔、9 n型裏面電極、10 n型表面電極、11 矢印、13 開口部、17 n型半導体層、18 導電体層、19 レジスト、20 シリコン酸化膜、21 金属柱、22 導電体膜部分、41 n型コンタクト層、71 高屈折率部分、72 低屈折率部分。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記活性層を挟むように配置された、第1導電型の半導体層と、
前記半導体層と積層され、前記活性層と独立した2次元回折格子とを備える、フォトニック結晶面発光レーザ素子。 An active layer using intersubband transition;
A first conductivity type semiconductor layer disposed so as to sandwich the active layer;
A photonic crystal surface emitting laser element comprising a two-dimensional diffraction grating laminated with the semiconductor layer and independent of the active layer.
前記高屈折率部分は半導体からなり、
前記低屈折率部分は、前記高屈折率部分に形成された孔である、請求項6に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。 The two-dimensional diffraction grating has a low refractive index portion and a high refractive index portion having a refractive index higher than the refractive index of the low refractive index portion,
The high refractive index portion is made of a semiconductor,
The photonic crystal surface emitting laser element according to claim 6, wherein the low refractive index portion is a hole formed in the high refractive index portion.
前記高屈折率部分は金属からなり、
前記低屈折率部分は半導体からなる、請求項6に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。 The two-dimensional diffraction grating has a low refractive index portion and a high refractive index portion having a refractive index higher than the refractive index of the low refractive index portion,
The high refractive index portion is made of metal,
The photonic crystal surface emitting laser element according to claim 6, wherein the low refractive index portion is made of a semiconductor.
前記基板からみて、前記活性層は、前記2次元回折格子より遠くに位置する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。 A substrate in which the active layer, the semiconductor layer of the first conductivity type, and the two-dimensional diffraction grating are stacked on a main surface;
6. The photonic crystal surface emitting laser element according to claim 1, wherein the active layer is located farther than the two-dimensional diffraction grating when viewed from the substrate. 7.
前記活性層上に、2次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程と、
前記半導体層において、周期的に配置され、前記活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程と、
前記半導体層に接触する電極を形成する工程と、を備えるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。 Forming an active layer using intersubband transition;
Forming a semiconductor layer constituting a two-dimensional diffraction grating on the active layer;
Forming a plurality of recesses that are periodically disposed in the semiconductor layer and do not reach the active layer by etching;
Forming an electrode in contact with the semiconductor layer, and a method of manufacturing a photonic crystal surface emitting laser element.
前記活性層上に、2次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程と、
前記半導体層において、周期的に配置され、前記活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程と、
前記半導体層に接触するとともに前記凹部を覆う電極を形成する工程と、を備えるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。 Forming an active layer using intersubband transition;
Forming a semiconductor layer constituting a two-dimensional diffraction grating on the active layer;
Forming a plurality of recesses that are periodically disposed in the semiconductor layer and do not reach the active layer by etching;
Forming an electrode that contacts the semiconductor layer and covers the recess, and a method for manufacturing a photonic crystal surface-emitting laser element.
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