JP2010098135A - Surface light emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Hideki Matsubara
秀樹 松原
Hirohisa Saito
裕久 齊藤
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface light emitting device including a quantum cascade laser element oscillating at a single wavelength at room temperature and operated stably, and to provide a method of manufacturing the surface light emitting device. <P>SOLUTION: The surface light emitting device 1 includes a heat sink 80 and a surface light emitting element 2. The surface light emitting element 2 includes an n-InP substrate 10, a quantum cascade active layer 30, an n-InGaAs buffer layer 20 and an n-InGaAs guide layer 40, a photonic crystal layer 50 laminated with the n-InGaAs buffer layer 20 and the n-InGaAs guide layer 40 and made independent of the quantum cascade active layer 30, a surface electrode 60 formed so as to be laminated with the quantum cascade active layer 30, and a metal pad 70 connected to the surface electrode 60. Then, by connecting the metal pad 70 and the heat sink 80 through a solder layer 91, the surface light emitting element 2 is loaded on the heat sink 80. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、面発光装置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含む量子カスケードレーザ素子を備える面発光装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a surface emitting device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a surface emitting device including a quantum cascade 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素子が提案されている(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 laser elements using intersubband transition have been proposed as laser elements that emit laser light in a long wavelength range from the mid-infrared to the terahertz band (for example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). reference). In the above-described quantum cascade laser, a superlattice structure made of two or more kinds of semiconductor materials can be created, and laser light in a long wavelength region can be obtained using intersubband transition formed in the superlattice structure. It is said that.

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 Document 1 discloses a quantum cascade laser that uses a Fabry-Perot resonator as a laser resonator.

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 Non-Patent Document 2, a photonic crystal structure in which air holes penetrating from the element surface to the active layer are periodically arranged with respect to a quantum cascade laser structure using a superlattice structure made of two or more kinds of semiconductor materials. An element in which is formed has been proposed. The element introduces lattice defects due to air hole defects in the photonic crystal structure, and uses the modes localized in the lattice defects to cause laser oscillation in a direction perpendicular to the surface of the element. A defect-type photonic crystal quantum cascade laser.

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。
特許第3983933号明細書 大谷 啓太、”InAs量子カスケードレーザの研究”、[online]、財団法人 丸文研究交流財団、[平成20年3月19日 検索]、インターネット(http://www.marubun-zaidan.jp/pdf/h16_ootani.pdf) ラファエル コロンベリ(Raffaele Colombelli)他、、サイエンス(SCIENCE)、”カンタムカスケードサーフェスエミッティングフォトニッククリスタルレーザ(Quantum Cascade Surface-Emitting Photonic Crystal Laser)”、21 November 2003、Vol.302、p.1374-1377
Moreover, as a surface emitting laser element using the above-mentioned photonic crystal structure, it is disclosed by patent document 1, for example.
Japanese Patent No. 3989333 Keita Otani, “Research on InAs Quantum Cascade Laser”, [online], Marubun Research Foundation, [March 19, 2008 search], Internet (http://www.marubun-zaidan.jp/pdf/ h16_ootani.pdf) Raffaele Colombelli et al., SCIENCE, “Quantum Cascade Surface-Emitting Photonic Crystal Laser”, 21 November 2003, Vol. 302, p.1374-1377

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 Non-Patent Document 1 described above is a multimode oscillation element because it uses a Fabry-Perot resonator, and it is difficult to control the oscillation wavelength of the laser to a single value.

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 Non-Patent Document 2 described above needs to confine the localized mode strongly in the defect portion, the light emission in the active layer and the optical coupling strength of the photonic crystal are maximized. Since it is necessary, the photonic crystal has air holes reaching the active layer. As a result, laser light oscillation occurs only in an extremely low temperature environment, and it is difficult to oscillate laser light, for example, at room temperature. This is because there are many exposed side walls of air holes in the active layer, and at room temperature, non-radiative recombination of carriers is very likely to occur on the exposed surface (surface recombination rate is very fast). It is. For this reason, in order to realize light emission and oscillation in the laser element disclosed in Non-Patent Document 2, it is necessary to cool the entire element to an extremely low temperature of about the liquid helium temperature (4K) in order to reduce the surface recombination speed. There is. For this reason, the laser element disclosed in Non-Patent Document 2 is difficult to use at room temperature and is difficult to be applied in practice.

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であると考えられる。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 Non-Patent Document 2, in order to confine the localized mode strongly in the defect part, it is necessary to minimize the volume of the defect part itself to the wavelength level. For this reason, since it is difficult to increase the amount of localized light, high-power laser oscillation is considered difficult. Even when high-power oscillation is successful, the emitted light is emitted from a very narrow defect surface, so that light concentration occurs on this defect surface and an end face destruction phenomenon (sudden death phenomenon called COD) Can easily cause. For this reason, it has been difficult to produce a highly reliable element.

さらに、量子カスケードレーザ素子においては、活性層に注入されるキャリア個数あたりの効率(量子効率)を高くできるものの、比較的大きなバイアスを必要とするため、実効的な電力変換効率は必ずしも高いとはいえない。そのため、動作時における発熱が大きくなる傾向にあり、素子からの十分な放熱を確保できない場合、動作が不安定となるおそれもある。   Furthermore, in the quantum cascade laser element, although the efficiency (quantum efficiency) per number of carriers injected into the active layer can be increased, a relatively large bias is required, so that the effective power conversion efficiency is not necessarily high. I can't say that. For this reason, there is a tendency for heat generation during operation to increase, and there is a possibility that the operation may become unstable if sufficient heat dissipation from the element cannot be ensured.

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る。すなわち、本発明の目的は、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置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. That is, an object of the present invention is to provide a surface emitting device including a quantum cascade laser element that can oscillate at a single wavelength at room temperature and can operate stably, and a method of manufacturing the same.

本発明に従った面発光装置は、ヒートシンク体と、ヒートシンク体に搭載される面発光素子とを備えている。面発光素子は、第1導電型の基板と、基板の主表面上に形成された、サブバンド間遷移を用いた活性層と、基板の上記主表面上において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、基板の上記主表面上において半導体層と積層され、活性層と独立した2次元回折格子と、基板の上記主表面上において、活性層と積層するように形成された電極と、電極に接続される導電体パッドとを含んでいる。そして、導電体パッドとヒートシンク体とが接続材層を介して接続されることにより、面発光素子はヒートシンク体に搭載されている。   A surface light emitting device according to the present invention includes a heat sink body and a surface light emitting element mounted on the heat sink body. The surface light emitting element is disposed so as to sandwich the active layer on the main surface of the substrate, the first conductivity type substrate, the active layer formed on the main surface of the substrate using the intersubband transition, and the substrate. A semiconductor layer of the first conductivity type, laminated with the semiconductor layer on the main surface of the substrate, formed to be laminated with the active layer on the main surface of the substrate, and a two-dimensional diffraction grating independent of the active layer. And a conductive pad connected to the electrode. Then, the surface-emitting element is mounted on the heat sink body by connecting the conductor pad and the heat sink body via the connecting material layer.

上記面発光素子においては、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したりすることがない。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に比べてキャリアの非発光再結合が起こりにくくなり、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)のレーザ発振を実現することができるだけでなく、非特許文献2に示されたレーザ素子のような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。   In the surface light emitting device, since the two-dimensional diffraction grating is formed independently of the active layer, as in the case where the recesses (such as air holes) constituting the two-dimensional diffraction grating reach the active layer, The active layer is not damaged or exposed to the air due to the formation of the recess. Therefore, non-radiative recombination of carriers is less likely to occur than when the concave portion of the two-dimensional diffraction grating reaches the active layer, and sufficient light emission at room temperature can be realized. In addition, by using a two-dimensional diffraction grating, not only can a single wavelength (single mode) laser oscillation be easily realized, but also an end face destruction phenomenon like the laser element shown in Non-Patent Document 2 occurs. It is unlikely to happen and can achieve high reliability.

さらに、本発明の面発光装置においては、面発光素子の動作時において発熱領域となる活性層から見て、厚みの大きい基板側ではなく、厚みの小さい側(基板とは反対側)に導電体パッドを配置し、当該導電体パッドとヒートシンク体とを接続するように面発光素子をヒートシンク体に搭載している。そのため、活性層において発生した熱を効率よくヒートシンク体に放熱することが可能となり、面発光素子の温度上昇を抑制することができる。その結果、面発光装置を安定して動作させることが可能となっている。   Further, in the surface light emitting device of the present invention, the conductor is not on the side of the substrate having a small thickness (on the side opposite to the substrate), but on the side of the substrate having a large thickness as viewed from the active layer that becomes a heat generating region during the operation of the surface emitting element. The surface light emitting element is mounted on the heat sink body so as to connect the conductor pad and the heat sink body. Therefore, it is possible to efficiently dissipate the heat generated in the active layer to the heat sink body, and the temperature rise of the surface light emitting element can be suppressed. As a result, the surface light emitting device can be stably operated.

以上のように、本発明の面発光装置によれば、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置を提供することができる。   As described above, according to the surface emitting device of the present invention, it is possible to provide a surface emitting device including a quantum cascade laser element that can oscillate at a single wavelength at room temperature and can operate stably. Can do.

上記面発光装置において好ましくは、導電体パッドは、上記電極の平面形状より大きな平面形状を有している。   In the surface light emitting device, preferably, the conductor pad has a planar shape larger than the planar shape of the electrode.

これにより、活性層において発生した熱を広い面積に拡散させた上で、ヒートシンク体に対して放熱することが可能となり、導電体パッドをヒートスプレッダとして機能させることができる。その結果、面発光素子の温度上昇を一層抑制し、面発光装置をより安定して動作させることが可能となる。   Accordingly, it is possible to dissipate heat generated in the active layer over a wide area and then dissipate heat to the heat sink body, and the conductor pad can function as a heat spreader. As a result, the temperature rise of the surface light emitting element can be further suppressed, and the surface light emitting device can be operated more stably.

上記面発光装置において好ましくは、ヒートシンク体を構成する材料の熱伝導度は150W/mK以上である。これにより、面発光素子の温度上昇をさらに抑制し、面発光装置の動作をより確実に安定させることができる。   In the surface light emitting device, preferably, the material constituting the heat sink body has a thermal conductivity of 150 W / mK or more. Thereby, the temperature rise of the surface light emitting element can be further suppressed, and the operation of the surface light emitting device can be more reliably stabilized.

上記面発光装置において好ましくは、電極の重心と、導電体パッドの重心とは、接続材層が接続されているヒートシンク体表面に垂直な方向において整列している。これにより、発光層において発生した熱が電極を介して導電体パッドに流入した際、多くの方向に効率よく拡散できるため、面発光素子の温度上昇を一層抑制することができる。   Preferably, in the surface light emitting device, the center of gravity of the electrode and the center of gravity of the conductor pad are aligned in a direction perpendicular to the surface of the heat sink body to which the connecting material layer is connected. Thereby, when the heat generated in the light emitting layer flows into the conductor pad via the electrode, it can be efficiently diffused in many directions, and thus the temperature rise of the surface light emitting element can be further suppressed.

上記面発光装置において好ましくは、導電体パッドの厚みは1μm以上である。これにより、導電体パッドのヒートスプレッド効果が一層大きくなり、面発光装置をより安定して動作させることが可能となる。なお、導電体パッドの厚みが20μmを超えると応力の問題から導電体パッドもしくは半導体層側にクラックが入る可能性がある。そのため、導電体パッドの厚みは20μm以下であることが好ましい。   In the surface light emitting device, the thickness of the conductor pad is preferably 1 μm or more. Thereby, the heat spread effect of the conductor pad is further increased, and the surface light emitting device can be operated more stably. If the thickness of the conductor pad exceeds 20 μm, there is a possibility that cracks may occur on the conductor pad or the semiconductor layer side due to the problem of stress. Therefore, the thickness of the conductor pad is preferably 20 μm or less.

本発明に従った面発光装置の製造方法は、面発光素子を形成する工程と、面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程とを備えている。面発光素子を形成する工程は、第1導電型の基板を準備する工程と、活性層と半導体層とを形成する工程と、2次元回折格子を形成する工程と、電極を形成する工程と、導電体パッドを形成する工程とを含んでいる。活性層と半導体層とを形成する工程では、基板の主表面上に、サブバンド間遷移を用いた活性層と、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が形成される。2次元回折格子を形成する工程では、基板の上記主表面上において半導体層と積層され、活性層と独立した2次元回折格子が形成される。電極を形成する工程では、基板の上記主表面上において活性層と積層するように電極が形成される。導電体パッドを形成する工程では、電極に接続される導電体パッドが形成される。そして、面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程では、面発光素子における導電体パッドとヒートシンク体とが接続材層を介して接続される。   A method for manufacturing a surface light emitting device according to the present invention includes a step of forming a surface light emitting element and a step of mounting the surface light emitting element on a heat sink body. The step of forming the surface light emitting element includes a step of preparing a first conductivity type substrate, a step of forming an active layer and a semiconductor layer, a step of forming a two-dimensional diffraction grating, a step of forming an electrode, Forming a conductive pad. In the step of forming the active layer and the semiconductor layer, an active layer using intersubband transition and a first conductivity type semiconductor layer disposed so as to sandwich the active layer are formed on the main surface of the substrate. The In the step of forming the two-dimensional diffraction grating, a two-dimensional diffraction grating independent of the active layer is formed by being laminated with the semiconductor layer on the main surface of the substrate. In the step of forming the electrode, the electrode is formed so as to be laminated with the active layer on the main surface of the substrate. In the step of forming the conductor pad, the conductor pad connected to the electrode is formed. In the step of mounting the surface light emitting element on the heat sink body, the conductor pads and the heat sink body in the surface light emitting element are connected via the connecting material layer.

本発明の面発光装置の製造方法によれば、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置を製造することができる。   According to the method for manufacturing a surface emitting device of the present invention, it is possible to manufacture a surface emitting device including a quantum cascade laser element that can oscillate at a single wavelength at room temperature and can operate stably. .

上記本発明の面発光装置において好ましくは、導電体パッドを形成する工程では、上記電極の平面形状より大きな平面形状を有する導電体パッドが形成される。   In the surface light emitting device of the present invention, preferably, in the step of forming the conductor pad, a conductor pad having a planar shape larger than the planar shape of the electrode is formed.

これにより、導電体パッドをヒートスプレッダとして機能させることで温度上昇を一層抑制し、より安定して動作することが可能な面発光装置を製造することができる。   Thereby, the surface light-emitting device which can suppress a temperature rise further by making a conductor pad function as a heat spreader, and can operate | move more stably can be manufactured.

上記本発明の面発光装置において好ましくは、導電体パッドを形成する工程は、メッキ法を用いて導電体パッドを形成する工程を含んでいる。   In the surface light emitting device of the present invention, preferably, the step of forming the conductor pad includes the step of forming the conductor pad using a plating method.

これにより、導電体パッドを容易に厚膜化することが可能となり、安定して動作することが可能な面発光装置を容易に製造することができる。   Thereby, it is possible to easily increase the thickness of the conductor pad, and it is possible to easily manufacture a surface light emitting device that can operate stably.

以上の説明から明らかなように、本発明の面発光装置およびその製造方法によれば、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置およびその製造方法を提供することができる。   As is apparent from the above description, the surface light emitting device and the manufacturing method thereof according to the present invention include a quantum cascade laser element that can oscillate at a single wavelength at room temperature and can operate stably. A flat surface light emitting device and a method for manufacturing the same can be provided.

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.

図1は、本発明の一実施の形態における面発光装置の構成を示す概略断面図である。また、図2は、図1の面発光装置に含まれるフォトニック結晶層の構成の一部を示す概略斜視図である。また、図3は、図1の面発光装置に含まれる表面電極、金属パッドおよびヒートシンクの構成を示す概略平面図である。また、図4は、図1の面発光装置に含まれるn−InP基板および裏面電極の構成を示す概略平面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a surface light emitting device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic perspective view showing a part of the configuration of the photonic crystal layer included in the surface light emitting device of FIG. FIG. 3 is a schematic plan view showing the configuration of the surface electrodes, metal pads, and heat sink included in the surface light emitting device of FIG. FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the n-InP substrate and the back electrode included in the surface light emitting device of FIG.

図1を参照して、本実施の形態における面発光装置1は、ヒートシンク80と、当該ヒートシンク80に搭載された面発光素子2とを備えている。面発光素子2は、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量子カスケードレーザである。   With reference to FIG. 1, the surface light emitting device 1 according to the present embodiment includes a heat sink 80 and a surface light emitting element 2 mounted on the heat sink 80. The surface light emitting element 2 is a quantum cascade laser capable of oscillating laser light having a frequency ranging from the mid-infrared region to the terahertz (THz) band (specifically, the wavelength is 1.6 μm or more and 1 mm or less).

面発光素子2は、導電型がn型(第1導電型)であるn−InP基板10と、n−InP基板10の一方の主表面上に配置された第1導電型の半導体層としてのn−InGaAsバッファ層20と、n−InGaAsバッファ層20上に配置された量子カスケード活性層30と、量子カスケード活性層30上に配置された第1導電型の半導体層としてのn−InGaAsガイド層40と、n−InGaAsガイド層40上に配置された2次元回折格子としてのフォトニック結晶層50と、フォトニック結晶層50において孔51が形成された領域上に配置された表面電極60と、表面電極60の外周面を取り囲むように配置された絶縁層95と、表面電極60および絶縁層95上に配置された導電体パッドとしての金属パッド70と、n−InP基板10においてn−InGaAsバッファ層20が配置されている側とは反対側の主面上に形成された裏面電極92を備えている。また、裏面電極92には、配線である金線94が接続されている。   The surface light emitting element 2 includes an n-InP substrate 10 whose conductivity type is n-type (first conductivity type), and a first conductivity type semiconductor layer disposed on one main surface of the n-InP substrate 10. n-InGaAs buffer layer 20, quantum cascade active layer 30 disposed on n-InGaAs buffer layer 20, and n-InGaAs guide layer as a first conductivity type semiconductor layer disposed on quantum cascade active layer 30 40, a photonic crystal layer 50 as a two-dimensional diffraction grating disposed on the n-InGaAs guide layer 40, a surface electrode 60 disposed on a region where the hole 51 is formed in the photonic crystal layer 50, An insulating layer 95 disposed so as to surround the outer peripheral surface of the surface electrode 60; a metal pad 70 as a conductor pad disposed on the surface electrode 60 and the insulating layer 95; and n-I. And a back electrode 92 formed on the main surface opposite to the side on which the n-InGaAs buffer layer 20 is disposed in the P substrate 10. Further, a gold wire 94 that is a wiring is connected to the back electrode 92.

そして、金属パッド70とヒートシンク80とが接続材層としてのはんだ層91を介して接続されることにより、面発光素子2はヒートシンク80に搭載されている。   And the surface emitting element 2 is mounted in the heat sink 80 by connecting the metal pad 70 and the heat sink 80 via the solder layer 91 as a connection material layer.

n−InP基板10は、InP(インジウムリン)からなるとともに、n型不純物を含むことにより、導電型がn型(第1導電型)となっている。n−InGaAsバッファ層20は、InGaAs(インジウムガリウム砒素)からなるとともに、n型不純物を含むことにより、導電型がn型となっている。   The n-InP substrate 10 is made of InP (indium phosphide) and includes an n-type impurity, so that the conductivity type is n-type (first conductivity type). The n-InGaAs buffer layer 20 is made of InGaAs (indium gallium arsenide) and contains n-type impurities, so that the conductivity type is n-type.

量子カスケード活性層30は、たとえばAlInAs(アルミニウムインジウム砒素)からなるバリア層と、InGaAsからなる井戸層とが交互に積層された超格子構造を有している。量子カスケード活性層30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。   The quantum cascade active layer 30 has a superlattice structure in which barrier layers made of, for example, AlInAs (aluminum indium arsenide) and well layers made of InGaAs are alternately stacked. The quantum cascade active layer 30 is formed so that the intersubband transition region and the injection region repeat a plurality of periods, that is, a quantum cascade structure having a plurality of stepped subband structures.

具体的には、量子カスケード活性層30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、井戸層をInGaAs(Ga組成0.47)とした場合に、高バイアス側である表面電極60側から低バイアス側である裏面電極92に向けて、バリア層/(井戸層)/バリア層/(井戸層)/・・・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、たとえば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(10〜100周期、たとえば30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井戸層の厚みを示す。   Specifically, as a configuration example of the quantum cascade active layer 30, for example, when the barrier layer is AlInAs (Al composition 0.48) and the well layer is InGaAs (Ga composition 0.47), A structure in which barrier layers / (well layers) / barrier layers / (well layers) /... Are alternately laminated from a certain surface electrode 60 side toward a back electrode 92 on the low bias side can be employed. The thickness of each layer is, for example, 5 nm / (1 nm) /1.5 nm / (4.5 nm) / 2 nm / (4 nm) / 3 nm / (2.5 nm) /2.5 nm / (2.2 nm) / A laminated structure composed of 18 layers of 2.2 nm / (2 nm) / 2 nm / (2 nm) /2.2 nm / (2 nm) / 3 nm / (2 nm) is defined as one period, and this period is plural (10 to 100 periods, For example, 30 cycles can be repeated. In the thickness display described above, the value of the thickness enclosed in parentheses indicates the thickness of the well layer.

n−InGaAsガイド層40は、InGaAsからなるとともに、n型不純物を含むことにより、導電型がn型となっている。   The n-InGaAs guide layer 40 is made of InGaAs and has an n-type conductivity by including an n-type impurity.

フォトニック結晶層50は、図2を参照して、たとえばn型のInPからなるベース層52に、周期的な凹部としての孔51が形成された構造を有している。より具体的には、フォトニック結晶層50においては、空気孔である孔51が三角格子状に配置されている。その結果、孔51が低屈折率部分となり、その周囲のInPからなるベース層52が低屈折部分よりも屈折率の高い高屈折率部分となっている。そして、孔51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くなっている。なお、フォトニック結晶層50と量子カスケード活性層30との間は、たとえば1μm以上離れている。   Referring to FIG. 2, the photonic crystal layer 50 has a structure in which holes 51 as periodic recesses are formed in a base layer 52 made of, for example, n-type InP. More specifically, in the photonic crystal layer 50, holes 51 that are air holes are arranged in a triangular lattice pattern. As a result, the hole 51 becomes a low refractive index portion, and the surrounding base layer 52 made of InP becomes a high refractive index portion having a higher refractive index than the low refractive portion. Each of the holes 51 is formed at a position that becomes a lattice point of a triangular lattice, in other words, at a vertex position of an equilateral triangle. The distances between the center of one lattice point and the centers of the six lattice points adjacent to this lattice point are all equal. Note that the photonic crystal layer 50 and the quantum cascade active layer 30 are separated by, for example, 1 μm or more.

表面電極60は、たとえばAu−Ge−Ni(金−ゲルマニウム−ニッケル)合金からなっている。そして、当該表面電極60を取り囲む絶縁層95は、たとえばSiO(二酸化珪素)からなっている。また、金属パッド70は、たとえばAu(金)からなっている。さらに、裏面電極92は、表面電極60と同様に、たとえばAu−Ge−Ni合金からなっている。 The surface electrode 60 is made of, for example, an Au—Ge—Ni (gold-germanium-nickel) alloy. The insulating layer 95 surrounding the surface electrode 60 is made of, for example, SiO 2 (silicon dioxide). The metal pad 70 is made of, for example, Au (gold). Furthermore, the back electrode 92 is made of, for example, an Au—Ge—Ni alloy, similarly to the front electrode 60.

ヒートシンク80を構成する素材としては、熱伝導度の高い素材、より具体的には熱伝導度が150W/mK以上の素材が採用されることが好ましく、たとえばCu−W(銅−タングステン)合金、銅−ダイヤモンド複合材料、銅−カーボンファイバ複合材料、AlN(窒化アルミニウム)、CVDダイヤモンド、グラファイト、SiCなどを採用することができる。   As a material constituting the heat sink 80, a material having high thermal conductivity, more specifically, a material having a thermal conductivity of 150 W / mK or more is preferably adopted. For example, a Cu—W (copper-tungsten) alloy, A copper-diamond composite material, a copper-carbon fiber composite material, AlN (aluminum nitride), CVD diamond, graphite, SiC, or the like can be employed.

図3を参照して、表面電極60、金属パッド70およびヒートシンク80は、平面的に見て重なるように配置されている。そして、表面電極60および金属パッド70の平面形状は、それぞれ重心(中心)に対して点対称な形状(本実施の形態では正方形)となっている。また、表面電極60および金属パッド70の重心は平面的に見て重なるように位置している。つまり、表面電極60の重心と、金属パッド70の重心とは、はんだ層91が接続されているヒートシンク80の表面に垂直な方向において整列している。その結果、表面電極60の形状に応じて決定されるゲイン領域(発光領域)の重心と金属パッド70の重心とは、はんだ層91が接続されているヒートシンク80の表面に垂直な方向において整列している。   Referring to FIG. 3, surface electrode 60, metal pad 70, and heat sink 80 are arranged so as to overlap in plan view. The planar shape of the surface electrode 60 and the metal pad 70 is a point-symmetric shape (square in the present embodiment) with respect to the center of gravity (center). Further, the center of gravity of the surface electrode 60 and the metal pad 70 is positioned so as to overlap when seen in a plan view. That is, the center of gravity of the surface electrode 60 and the center of gravity of the metal pad 70 are aligned in a direction perpendicular to the surface of the heat sink 80 to which the solder layer 91 is connected. As a result, the center of gravity of the gain region (light emitting region) determined according to the shape of the surface electrode 60 and the center of gravity of the metal pad 70 are aligned in a direction perpendicular to the surface of the heat sink 80 to which the solder layer 91 is connected. ing.

一方、図1および図4を参照して、裏面電極92には貫通孔である窓部92Aが形成されている。そして、この窓部92Aから、n−InP基板10が露出している。   On the other hand, referring to FIGS. 1 and 4, window electrode 92 </ b> A that is a through hole is formed in back electrode 92. The n-InP substrate 10 is exposed from the window 92A.

次に、本実施の形態における面発光装置1の動作について簡単に説明する。図1を参照して、表面電極60と裏面電極92との間に電圧を印加すると、量子カスケード活性層30に電子が注入される。そして、量子カスケード活性層30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30の構成により規定される。   Next, operation | movement of the surface emitting device 1 in this Embodiment is demonstrated easily. Referring to FIG. 1, when a voltage is applied between front surface electrode 60 and back surface electrode 92, electrons are injected into quantum cascade active layer 30. Then, electrons transition between subbands in the transition region generated in the conduction band of the quantum well structure in the quantum cascade active layer 30, but by tilting the band by applying a voltage (bias) to the electrode, Electron transitions between subbands occur continuously. As a result, light (for example, mainly having a long wavelength of 2 μm or more) is generated. Note that the wavelength of the generated light is defined by the configuration of the quantum cascade active layer 30.

量子カスケード活性層30において発生した光は、n−InGaAsバッファ層20とn−InGaAsガイド層40とによって量子カスケード活性層30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50に到達する。ここで、量子カスケード活性層30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30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に示す面発光装置1においては、フォトニック結晶層50と量子カスケード活性層30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50に量子カスケード活性層30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50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50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。   The light generated in the quantum cascade active layer 30 is confined in the quantum cascade active layer 30 by the n-InGaAs buffer layer 20 and the n-InGaAs guide layer 40, but a part of the light is evanescent light as the photonic crystal layer 50. To reach. Here, since the structure of the quantum cascade active layer 30 is defined so that the light generated in the quantum cascade active layer 30 changes from mid-infrared light to terahertz (THz) light, the region where the evanescent light spreads becomes wide. . This is because the spread of evanescent light is proportional to the wavelength of the light. Therefore, in the surface emitting device 1 shown in FIG. 1, even if the distance between the photonic crystal layer 50 and the quantum cascade active layer 30 is, for example, 1 μm or more, the photonic crystal layer 50 is sufficiently separated from the quantum cascade active layer 30. Evanescent light arrives. When the wavelength of the evanescent light that has reached the photonic crystal layer 50 matches the predetermined period of the photonic crystal layer 50, a standing wave is induced at the wavelength corresponding to the period.

このような現象は、量子カスケード活性層30およびフォトニック結晶層50が2次元的に広がりをもって形成されているので、表面電極60の真上の領域において生じうる。そして、当該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 surface electrode 60 because the quantum cascade active layer 30 and the photonic crystal layer 50 are formed to expand two-dimensionally. Laser oscillation can be caused by the feedback effect of the standing wave.

フォトニック結晶層50(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 50 (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5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5において、複数の格子点(孔51)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30(図1参照)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. 5 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. 5, focusing on a lattice point A arbitrarily selected from a plurality of lattice points (holes 51), a direction from the lattice point A toward the lattice point B is referred to as an X-Γ direction. The direction toward point C is called the XJ direction. Here, a case where the wavelength of light generated in the quantum cascade active layer 30 (see 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L、L、L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度の角度の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 in the direction of 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は高屈折率部分であるベース層52(図2参照)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 base layer 52 (see FIG. 2), which is a high refractive index portion. When the diffraction grating is formed so as to satisfy the second-order Bragg reflection (m = ± 2), other grating points D, E, F and G are formed at angles of θ = ± 60 ° and ± 120 °. 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.

以上のように、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に戻るので、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、図1を参照して、2次元回折格子の主面(フォトニック結晶層50の主面)に対して垂直方向に光が進行し、光放出面を規定する窓部92Aから矢印αの方向に沿って光が放出される。   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. Thereby, referring to FIG. 1, light travels in a direction perpendicular to the main surface of the two-dimensional diffraction grating (main surface of photonic crystal layer 50), and arrow α passes through window portion 92A that defines the light emission surface. Light is emitted along the direction of.

さらに、この2次元回折格子では、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。そのため、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、コヒーレントな状態が形成される。以上のように、本実施の形態における面発光装置1は、面発光レーザ装置として機能することができる。   Further, in this two-dimensional diffraction grating, the above-described light diffraction can occur at all the two-dimensionally arranged grating points. Therefore, light propagating in the X-Γ direction is two-dimensionally coupled to each other by Bragg diffraction, and a coherent state is formed. As described above, the surface emitting device 1 in the present embodiment can function as a surface emitting laser device.

図6は、フォトニック結晶層の他の構成を示す概略斜視図である。図6を参照して、フォトニック結晶層50は正方格子の形態を有する2次元回折格子を構成している。孔51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。一つの格子点(孔51)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. 6 is a schematic perspective view showing another configuration of the photonic crystal layer. Referring to FIG. 6, photonic crystal layer 50 constitutes a two-dimensional diffraction grating having a square lattice form. Each of the holes 51 is formed at a position serving as a lattice point of a square lattice, in other words, at a vertex position of a square. The distances between the center of one lattice point (hole 51) and the centers of the eight lattice points adjacent to this lattice point are all equal.

図7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7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30(図1参照)において発生する光の波長が、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. 7 is a view for explaining light diffraction in a square lattice. The square lattice is filled with squares whose side length is d. In FIG. 7, 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, a case where the wavelength of light generated in the quantum cascade active layer 30 (see 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U、U、U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V、V、V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 includes 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、格子点Tから格子点Wに向けて回折される光は、さらに格子群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. The light that is sequentially diffracted in this way and diffracted from the lattice point T toward the lattice point W is further 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。そのため、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に戻るので、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。したがって、図2に基づいて説明したフォトニック結晶層50に代えて、上記図6および図7に基づいて説明したフォトニック結晶層50を使用した場合でも、本実施の形態における面発光装置1は、面発光レーザ装置として機能することができる。   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. Accordingly, even when the photonic crystal layer 50 described based on FIGS. 6 and 7 is used instead of the photonic crystal layer 50 described based on FIG. 2, the surface light emitting device 1 in the present embodiment is It can function as a surface emitting laser device.

ここで、上記面発光装置1に含まれる面発光素子2は、第1導電型の基板としてのn−InP基板10と、n−InP基板10の主表面上に形成された、サブバンド間遷移を用いた量子カスケード活性層30と、n−InP基板10の上記主表面上において、量子カスケード活性層30を挟むように配置された第1導電型の半導体層としてのn−InGaAsバッファ層20およびn−InGaAsガイド層40と、n−InP基板10の上記主表面上においてn−InGaAsバッファ層20およびn−InGaAsガイド層40と積層され、量子カスケード活性層30と独立した2次元回折格子としてのフォトニック結晶層50と、n−InP基板10の上記主表面上において量子カスケード活性層30と積層するように形成された表面電極60と、表面電極60に接続される導電体パッドとしての金属パッド70とを含んでいる。そして、金属パッド70とヒートシンク80とが接続材層としてのはんだ層91を介して接続されることにより、面発光素子2はヒートシンク80に搭載されている。   Here, the surface light emitting element 2 included in the surface light emitting device 1 includes an n-InP substrate 10 as a first conductivity type substrate and an intersubband transition formed on the main surface of the n-InP substrate 10. A n-InGaAs buffer layer 20 as a first conductivity type semiconductor layer disposed so as to sandwich the quantum cascade active layer 30 on the main surface of the n-InP substrate 10 and The n-InGaAs guide layer 40 and the n-InGaAs buffer layer 20 and the n-InGaAs guide layer 40 are stacked on the main surface of the n-InP substrate 10, and serve as a two-dimensional diffraction grating independent of the quantum cascade active layer 30. Photonic crystal layer 50 and a surface formed so as to be stacked with quantum cascade active layer 30 on the main surface of n-InP substrate 10 A pole 60, and a metal pad 70 of the conductor pads connected to the surface electrode 60. And the surface emitting element 2 is mounted in the heat sink 80 by connecting the metal pad 70 and the heat sink 80 via the solder layer 91 as a connection material layer.

このような構成を有する面発光素子2を備えることにより、本実施の形態における面発光装置1おいては、フォトニック結晶層50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30で発光する光のうち、任意の1波長の光のみを量子カスケード活性層30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、発振波長に多数の波長が混在するマルチモードではなく、本実施の形態における面発光装置1では、任意の単一波長での発振が可能となっている。また、量子カスケード活性層30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っている。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。   By providing the surface light emitting element 2 having such a configuration, in the surface light emitting device 1 in the present embodiment, by controlling the structure (lattice constant and air filling rate) of the photonic crystal layer 50, the quantum Of the light emitted from the cascade active layer 30, only light having an arbitrary wavelength can be fed back into the quantum cascade active layer 30 and oscillated in only one mode. That is, it is not a multimode in which a large number of wavelengths are mixed in the oscillation wavelength as in a conventional quantum cascade laser using a conventional Fabry-Perot resonator, and the surface light emitting device 1 according to the present embodiment uses any single unit. Oscillation at a wavelength is possible. In addition, a single wavelength laser beam can be emitted in a direction perpendicular to the main surface of the quantum cascade active layer 30 by a diffraction effect. 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.

また、本実施の形態における面発光装置1においては、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となっている。その結果、本実施の形態における面発光装置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している。   Further, in the surface light emitting device 1 according to the present embodiment, it is possible to make the emission surface a region having a very large area on the surface side. As a result, in the surface light emitting device 1 according to the present embodiment, a breakdown phenomenon (COD: abrupt breakdown: which is a problem with a laser whose output surface must be a narrow region, such as a Fabry-Perot laser or a defective photonic crystal laser, is required. The possibility of causing the exit surface to melt due to light concentration is extremely low. That is, the reliability as a laser light source is also improved.

また、本実施の形態における面発光装置1においては、フォトニック結晶層50を量子カスケード活性層30から離した位置(たとえば1μm以上離れた位置)に形成して、量子カスケード活性層30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50との光結合を利用することが可能となっている。そのため、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、面発光装置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(Distributed Feedback)レーザ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、面発光装置1の量子カスケード活性層30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。その結果、本実施の形態における面発光装置1では、室温での発光及び発振が容易に実現可能となっている。   Further, in the surface light emitting device 1 according to the present embodiment, the photonic crystal layer 50 is formed at a position separated from the quantum cascade active layer 30 (for example, a position separated by 1 μm or more) and exudes from the quantum cascade active layer 30. The optical coupling between the evanescent light and the photonic crystal layer 50 can be used. Therefore, it is not necessary to form a hole that reaches the active layer as in the prior art. This is because the resonator of the surface light emitting device 1 does not require confinement of a strong localized mode, and an optical coupling strength comparable to that of a normal one-dimensional DFB (Distributed Feedback) laser is sufficient. Therefore, since the quantum cascade active layer 30 of the surface light emitting device 1 is not exposed to the outside, the surface recombination rate does not increase even at room temperature. As a result, in the surface light emitting device 1 in the present embodiment, light emission and oscillation at room temperature can be easily realized.

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、本実施の形態における面発光装置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る。そのため、フォトニック結晶層50と量子カスケード活性層30との間の距離を大きく離すことが可能となっている。したがって、図1に示すように、表面電極60に隣接してフォトニック結晶層50を形成した構成とすることが可能となっている。その結果、本実施の形態における面発光装置1においては、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 Patent Document 1 described above is premised on a laser from near infrared light to visible light (wavelength: 0.4 μm to 1.5 μm). In this case, the region where the evanescent light spreads (the width is proportional to the wavelength) is small, and the photonic crystal layer needs to be formed in the vicinity of the active layer. Therefore, in Patent Document 1, an element is formed by using a fusion method or a regrowth method. However, in the surface light emitting device 1 according to the present embodiment, laser light in the range from mid-infrared light to THz band (2 μm or more and 1000 μm or less in wavelength) is targeted for oscillation, so the region where the evanescent light spreads becomes very wide. Therefore, the distance between the photonic crystal layer 50 and the quantum cascade active layer 30 can be greatly separated. Therefore, as shown in FIG. 1, it is possible to adopt a configuration in which the photonic crystal layer 50 is formed adjacent to the surface electrode 60. As a result, in the surface light emitting device 1 according to the present embodiment, it is not essential to use a troublesome manufacturing method such as a fusion method or a regrowth method.

また、フォトニック結晶層50における孔51の加工位置と量子カスケード活性層30との距離が離れていることから、孔51を形成する際の加工に伴う量子カスケード活性層30への加工ダメージもほとんど発生しない。同様に、フォトニック結晶層50を作り込む際に発生する応力と歪みが、量子カスケード活性層30に対して及ぼす影響も少なくなる。そのため、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となっている。その結果、構造の自由度が大きく拡がっている。   Further, since the distance between the processing position of the hole 51 in the photonic crystal layer 50 and the quantum cascade active layer 30 is large, the processing damage to the quantum cascade active layer 30 accompanying the processing when forming the hole 51 is almost all. Does not occur. Similarly, the stress and strain generated when forming the photonic crystal layer 50 have less influence on the quantum cascade active layer 30. For this reason, it is also easy to adopt a dielectric column embedded photonic crystal structure, which has been difficult to employ in other short wavelength photonic crystal surface emitting laser elements due to the strength of residual stress. . As a result, the degree of freedom of structure is greatly expanded.

さらに、本実施の形態における面発光装置1においては、面発光素子2の動作時において発熱領域となる量子カスケード活性層30から見て、厚みの大きいn−InP基板10側ではなく、厚みの小さい側(n−InP基板10とは反対側)に金属パッド70を配置し、当該金属パッド70とヒートシンク80とを接続するように面発光素子2をヒートシンク80に搭載している。そのため、量子カスケード活性層30において発生した熱を効率よくヒートシンク80に放熱することが可能となり、面発光素子2の温度上昇が抑制されている。   Furthermore, in the surface light emitting device 1 according to the present embodiment, the thickness of the surface light emitting device 1 is small as opposed to the thick n-InP substrate 10 side as viewed from the quantum cascade active layer 30 that becomes a heat generation region during the operation of the surface light emitting element 2. A metal pad 70 is disposed on the side (opposite to the n-InP substrate 10), and the surface light emitting element 2 is mounted on the heat sink 80 so as to connect the metal pad 70 and the heat sink 80. Therefore, the heat generated in the quantum cascade active layer 30 can be efficiently radiated to the heat sink 80, and the temperature rise of the surface light emitting element 2 is suppressed.

また、本実施の面発光装置1においては、金属パッド70は、表面電極60の平面形状より大きな平面形状を有している。これにより、量子カスケード活性層30において発生した熱を広い面積に拡散させた上で、ヒートシンク80に対して放熱することが可能となっている。そのため、面発光素子2の温度上昇が一層抑制されている。その結果、面発光装置1を安定して動作させることが可能となっている。   In the surface light emitting device 1 of the present embodiment, the metal pad 70 has a larger planar shape than the planar shape of the surface electrode 60. As a result, the heat generated in the quantum cascade active layer 30 can be diffused over a wide area and then dissipated to the heat sink 80. Therefore, the temperature rise of the surface light emitting element 2 is further suppressed. As a result, the surface light emitting device 1 can be stably operated.

以上のように、本実施の形態における面発光装置1は、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置となっている。   As described above, the surface emitting device 1 according to the present embodiment is a surface emitting device including a quantum cascade laser element that can oscillate at a single wavelength at room temperature and can operate stably. Yes.

ここで、ヒートシンク80を構成する材料の熱伝導度は150W/mK以上であることが好ましい。これにより、面発光素子2の温度上昇をさらに抑制し、面発光装置1の動作をより確実に安定させることができる。   Here, the thermal conductivity of the material constituting the heat sink 80 is preferably 150 W / mK or more. Thereby, the temperature rise of the surface light emitting element 2 can be further suppressed, and the operation of the surface light emitting device 1 can be more reliably stabilized.

また、面発光装置1においては、表面電極60の重心と、金属パッド70の重心とは、はんだ層91が接続されているヒートシンク80の表面に垂直な方向において整列していることが好ましい。これにより、量子カスケード活性層30において発生した熱が表面電極60を介して金属パッド70に流入した際、多くの方向に効率よく拡散できるため、面発光装置1の温度上昇を一層抑制することができる。なお、金属パッド70の平面形状は、その重心が表面電極60の平面形状の重心と平面的に見て重なるとともに、重心に対して点対象な形状を有していることが望ましい。より具体的には、たとえば表面電極60の平面形状が正方形または正六角形である場合、その重心が平面的に見て当該正方形または正六角形に重なる正方形や円形形状を有することが好ましい。金属パッド70の平面形状は、表面電極60の平面形状が相似拡大されたものであってもよい。また、金属パッド70の平面形状の面積は、表面電極60の平面形状の面積に対して3倍以上であれば有効なヒートスプレッド効果を発揮する一方、100倍を超えるとチップ面積が増大して高コスト化するという問題が生じるおそれがあるため、3倍以上100倍以下とすることが好ましい。   In the surface light emitting device 1, the center of gravity of the surface electrode 60 and the center of gravity of the metal pad 70 are preferably aligned in a direction perpendicular to the surface of the heat sink 80 to which the solder layer 91 is connected. Thereby, when the heat generated in the quantum cascade active layer 30 flows into the metal pad 70 through the surface electrode 60, the heat can be efficiently diffused in many directions, thereby further suppressing the temperature rise of the surface light emitting device 1. it can. The planar shape of the metal pad 70 is preferably such that the center of gravity of the metal pad 70 overlaps the center of gravity of the planar shape of the surface electrode 60 in a plan view and has a shape that is pointed with respect to the center of gravity. More specifically, for example, when the planar shape of the surface electrode 60 is a square or regular hexagon, it is preferable that the center of gravity of the surface electrode 60 has a square or circular shape overlapping the square or regular hexagon when viewed in plan. The planar shape of the metal pad 70 may be a similar enlargement of the planar shape of the surface electrode 60. In addition, if the area of the planar shape of the metal pad 70 is 3 times or more than the area of the planar shape of the surface electrode 60, an effective heat spread effect is exhibited. On the other hand, if it exceeds 100 times, the chip area increases. Since there is a possibility that the problem of high cost may arise, it is preferable to set it to 3 times or more and 100 times or less.

さらに、金属パッド70の厚みは1μm以上であることが好ましい。これにより、金属パッド70のヒートスプレッド効果が一層大きくなり、面発光装置1をより安定して動作させることが可能となる。   Furthermore, the thickness of the metal pad 70 is preferably 1 μm or more. Thereby, the heat spread effect of the metal pad 70 is further increased, and the surface light emitting device 1 can be operated more stably.

次に、本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法について説明する。図8は、本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図9〜図16は、本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。   Next, the manufacturing method of the surface emitting device in one embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a flowchart showing an outline of a method of manufacturing the surface light emitting device in one embodiment of the present invention. 9 to 16 are schematic cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the surface light emitting device in one embodiment of the present invention.

図8を参照して、本実施の形態における面発光装置の製造方法においては、まず工程(S10)として基板準備工程が実施される。具体的には、図9を参照して、たとえばInPからなり、導電型がn型であるn−InP基板10が準備される。なお、本発明の面発光装置を構成する基板の素材としては、InPのほか、GaAs、GaSbまたはInAsなどを採用することができる。   Referring to FIG. 8, in the method for manufacturing the surface light emitting device in the present embodiment, a substrate preparation step is first performed as a step (S10). Specifically, referring to FIG. 9, n-InP substrate 10 made of, for example, InP and having an n-type conductivity is prepared. In addition to InP, GaAs, GaSb, InAs, or the like can be used as a material for the substrate constituting the surface light emitting device of the present invention.

次に、工程(S20)としてバッファ層形成工程が実施される。この工程(S20)では、図10を参照して、工程(S10)において準備されたn−InP基板10の一方の主表面((001)面)上に、たとえばInGaAsからなり、導電型がn型であるn−InGaAsバッファ層20が形成される。n−InGaAsバッファ層20の形成は、n−InP基板10上にn型不純物を含むInGaAs層をエピタキシャル成長させることにより実施することができる。なお、本発明の面発光装置を構成するバッファ層の素材としては、基板をInPとする場合にたとえばInGaAsを採用できるほか、基板をGaAsとする場合はGaAsまたはAlGaAsなどを、基板をGaSbとする場合はGaSbまたはInAsなどを、基板をInAsとする場合はInAsまたはGaSbなどを採用することができる。   Next, a buffer layer forming step is performed as a step (S20). In this step (S20), referring to FIG. 10, one main surface ((001) plane) of n-InP substrate 10 prepared in step (S10) is made of, for example, InGaAs, and the conductivity type is n. An n-InGaAs buffer layer 20 that is a mold is formed. The n-InGaAs buffer layer 20 can be formed by epitaxially growing an InGaAs layer containing an n-type impurity on the n-InP substrate 10. As the material of the buffer layer constituting the surface light emitting device of the present invention, for example, InGaAs can be adopted when the substrate is InP, and when the substrate is GaAs, GaAs or AlGaAs is used, and the substrate is GaSb. In this case, GaSb or InAs can be used, and in the case where InAs is used as the substrate, InAs or GaSb can be used.

次に、工程(S30)として活性層形成工程が実施される。この工程(S30)では、n−InGaAsバッファ層20上に、量子カスケード活性層30が形成される。具体的には、図10を参照して、工程(S20)において形成されたn−InGaAsバッファ層20上に、たとえばAlInAsからなるバリア層とInGaAsからなる井戸層とを交互に複数回(たとえば30回程度)繰り返してエピタキシャル成長させる。このバリア層と井戸層とは、一部を除いてアンドープ(意識的な不純物の添加を行なわない状態)となっている。なお、本発明の面発光装置を構成するバリア層/井戸層の素材の組合せとしては、基板をInPとする場合にたとえばAlInAs/InGaAsを採用できるほか、基板をGaAsとする場合はAlGaAs/GaAsなどを、基板をGaSbまたはInAsとする場合はAlSb/InAs、AlGaSb/InAs、GaSb/InAsなどを採用することができる。   Next, an active layer forming step is performed as a step (S30). In this step (S30), the quantum cascade active layer 30 is formed on the n-InGaAs buffer layer 20. Specifically, referring to FIG. 10, on the n-InGaAs buffer layer 20 formed in the step (S20), for example, a barrier layer made of, for example, AlInAs and a well layer made of InGaAs are alternately provided a plurality of times (for example, 30). Epitaxial growth is repeated repeatedly. The barrier layer and the well layer are undoped (a state in which no conscious impurity is added) except for a part thereof. As the combination of the barrier layer / well layer material constituting the surface light emitting device of the present invention, for example, AlInAs / InGaAs can be adopted when the substrate is InP, and AlGaAs / GaAs when the substrate is GaAs. When the substrate is made of GaSb or InAs, AlSb / InAs, AlGaSb / InAs, GaSb / InAs, or the like can be employed.

次に、工程(S40)として、ガイド層形成工程が実施される。この工程(S40)では、図10を参照して、工程(S30)において形成された量子カスケード活性層30上に、たとえばInGaAsからなり、導電型がn型であるn−InGaAsガイド層40が形成される。n−InGaAsガイド層40の形成は、量子カスケード活性層30上にn型不純物を含むInGaAs層をエピタキシャル成長させることにより実施することができる。なお、本発明の面発光装置を構成するガイド層の素材としては、基板をInPとする場合にたとえばInGaAsを採用できるほか、基板をGaAsとする場合はGaAsなどを、基板をGaSbまたはInAsとする場合はInAs、GaSbなどを採用することができる。   Next, a guide layer forming step is performed as a step (S40). In this step (S40), referring to FIG. 10, on the quantum cascade active layer 30 formed in step (S30), an n-InGaAs guide layer 40 made of, for example, InGaAs and having an n-type conductivity is formed. Is done. The n-InGaAs guide layer 40 can be formed by epitaxially growing an InGaAs layer containing an n-type impurity on the quantum cascade active layer 30. As the material of the guide layer constituting the surface light emitting device of the present invention, for example, InGaAs can be adopted when the substrate is InP, and when the substrate is GaAs, GaAs or the like is used, and the substrate is GaSb or InAs. In this case, InAs, GaSb, or the like can be used.

次に、工程(S50)として、n−InP層形成工程が実施される。この工程(S50)では、図10を参照して、フォトニック結晶層50のベース層52(図1および図2参照)となるべきn−InP層55が、n−InGaAsガイド層40上に形成される。具体的には、工程(S40)において形成されたn−InGaAsガイド層40上に、n型不純物を含むInP層がエピタキシャル成長により形成される。なお、本発明の面発光装置を構成するフォトニック結晶層のベース層の素材としては、基板をInPとする場合はInP、InGaAsなどを、基板をGaAsとする場合はGaAs、AlGaAsなどを、基板をGaSbまたはInAsとする場合はInAs、GaSb、AlSb、AlGaSbなどを採用することができる。また、上記工程(S20)〜(S50)は、たとえばMBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシー)法により実施することができる。   Next, an n-InP layer forming step is performed as a step (S50). In this step (S50), referring to FIG. 10, an n-InP layer 55 to be the base layer 52 (see FIGS. 1 and 2) of the photonic crystal layer 50 is formed on the n-InGaAs guide layer 40. Is done. Specifically, an InP layer containing n-type impurities is formed by epitaxial growth on the n-InGaAs guide layer 40 formed in the step (S40). The base layer material of the photonic crystal layer constituting the surface light emitting device of the present invention is InP, InGaAs, etc. when the substrate is InP, GaAs, AlGaAs, etc. when the substrate is GaAs, InAs, GaSb, AlSb, AlGaSb, etc. can be employed when GaSb or InAs is used. Moreover, the said process (S20)-(S50) can be implemented by MBE (Molecular Beam Epitaxy; molecular beam epitaxy) method, for example.

次に、工程(S60)として電極形成工程が実施される。この工程(S60)では、図11を参照して、工程(S50)において形成されたn−InP層55上に、たとえば平面形状が正方形形状である表面電極60が形成される。また、n−InP基板10においてn−InGaAsバッファ層20が形成された側とは反対側の主表面上に、裏面電極92が形成される。この裏面電極92には、表面電極60が形成される領域の直下に位置するように、両面マスクアライナーを用いて、窓部92Aが形成される。表面電極60および裏面電極92は、いずれもたとえばAu−Ge−Ni合金からなる層を蒸着することにより形成することができる。   Next, an electrode formation step is performed as a step (S60). In this step (S60), referring to FIG. 11, surface electrode 60 having a square planar shape, for example, is formed on n-InP layer 55 formed in step (S50). Further, a back electrode 92 is formed on the main surface of the n-InP substrate 10 opposite to the side where the n-InGaAs buffer layer 20 is formed. A window portion 92A is formed on the back surface electrode 92 using a double-sided mask aligner so as to be located immediately below the region where the front surface electrode 60 is formed. Both the front electrode 60 and the back electrode 92 can be formed by evaporating a layer made of, for example, an Au—Ge—Ni alloy.

次に、工程(S70)として貫通孔形成工程が実施される。この工程(S70)では、フォトニック結晶層50の孔51(図1および図2参照)となるべき貫通孔がn−InP層55に形成される。具体的には、まず、工程(S50)および(S60)において形成されたn−InP層55および表面電極60上に、レジストが塗布される。その後、露光および現像が実施されることにより、レジストからなり、貫通孔を形成すべき所望の領域に孔を有するマスク層が形成される。そして、当該マスク層をマスクとして用いて、たとえばドライエッチングを実施することにより、図12を参照して、表面電極60およびn−InP層55を貫通する貫通孔が形成される。   Next, a through hole forming step is performed as a step (S70). In this step (S <b> 70), a through hole to be a hole 51 (see FIGS. 1 and 2) of the photonic crystal layer 50 is formed in the n-InP layer 55. Specifically, first, a resist is applied on n-InP layer 55 and surface electrode 60 formed in steps (S50) and (S60). Thereafter, exposure and development are performed to form a mask layer made of resist and having holes in desired regions where through holes are to be formed. Then, for example, by performing dry etching using the mask layer as a mask, a through hole penetrating the surface electrode 60 and the n-InP layer 55 is formed with reference to FIG.

次に、工程(S80)として貫通孔封止工程が実施される。この工程(S80)では、工程(S70)において表面電極60に形成された貫通孔が閉じられることにより、n−InP層55に形成された貫通孔が封止される。具体的には、図13を参照して、たとえばめっきを実施することにより、表面電極60に形成された貫通孔が閉じられる。これにより、n−InP層55に形成された貫通孔が封止され、孔51を有するフォトニック結晶層50が完成する。   Next, a through-hole sealing step is performed as a step (S80). In this step (S80), the through-hole formed in the n-InP layer 55 is sealed by closing the through-hole formed in the surface electrode 60 in the step (S70). Specifically, referring to FIG. 13, for example, by performing plating, the through hole formed in surface electrode 60 is closed. Thereby, the through hole formed in the n-InP layer 55 is sealed, and the photonic crystal layer 50 having the hole 51 is completed.

次に、工程(S90)として絶縁層形成工程が実施される。この工程(S90)では、図14を参照して、たとえばSiOからなる絶縁層95が、表面電極60の周囲を平面的に取り囲むように形成される。絶縁層95の形成は、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相堆積)法により実施することができる。また、絶縁層95を構成する素材としては、SiOのほか、Si(窒化珪素)、TiO(酸化チタン)などを採用することができる。 Next, an insulating layer forming step is performed as a step (S90). In this step (S90), referring to FIG. 14, an insulating layer 95 made of, for example, SiO 2 is formed so as to surround the surface electrode 60 in a planar manner. The insulating layer 95 can be formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. As the material constituting the insulating layer 95, in addition to SiO 2, Si 3 N 4 (silicon nitride), can be employed as TiO 2 (titanium oxide).

次に、工程(S100)として金属パッド蒸着工程が実施される。この工程(S100)では、図15を参照して、表面電極60上に、かつ当該表面電極60に接触するように、たとえば金(Au)からなる金属パッド70が形成される。具体的には、蒸着法により、表面電極60上に金からなる膜が形成される。なお、金属パッド70を構成する素材としては、金のほか、銀、銅、白金、ニッケル、パラジウムなど、またそれらの積層構造を採用することができる。   Next, a metal pad vapor deposition step is performed as a step (S100). In this step (S100), referring to FIG. 15, metal pad 70 made of, for example, gold (Au) is formed on surface electrode 60 so as to be in contact with surface electrode 60. Specifically, a film made of gold is formed on the surface electrode 60 by vapor deposition. In addition, as a raw material which comprises the metal pad 70, silver, copper, platinum, nickel, palladium etc. other than gold | metal | money, and those laminated structures are employable.

次に、工程(S110)として金属パッドめっき工程が実施される。この工程(S110)では、めっきが実施されることにより、工程(S100)において形成された金属パッド70が厚膜化される。なお、この工程(S110)は、先の工程(S100)において十分な膜厚を有する金属パッド70を、たとえば蒸着法により形成することにより省略することができる。しかし、工程(S100)において金属パッド70の厚みの一部のみを形成しておき、その後めっき法を用いて金属パッド70の厚みを増すことにより、厚みの大きい金属パッド70を効率よく形成することができる。以上の工程により、本実施の形態における面発光装置1を構成する面発光素子2が完成する(図1参照)。   Next, a metal pad plating step is performed as a step (S110). In this step (S110), the metal pad 70 formed in the step (S100) is thickened by performing plating. This step (S110) can be omitted by forming the metal pad 70 having a sufficient film thickness in the previous step (S100), for example, by vapor deposition. However, by forming only a part of the thickness of the metal pad 70 in the step (S100) and then increasing the thickness of the metal pad 70 using a plating method, the thick metal pad 70 is efficiently formed. Can do. Through the above steps, the surface light-emitting element 2 constituting the surface light-emitting device 1 in the present embodiment is completed (see FIG. 1).

次に、工程(S120)として素子搭載工程が実施される。この工程(S120)では、図16を参照して、別途準備されたヒートシンク80と上記工程(S10)〜(S110)において形成された面発光素子2の金属パッド70とが、たとえばはんだを用いて接合されることにより、ヒートシンク80上に面発光素子2が搭載される。すなわち、工程(S120)においては、量子カスケード活性層30からみて、n−InP基板10とは反対側、つまりn−InP基板10から見てエピタキシャル成長により形成された層の側がヒートシンク80に接合されることにより、ヒートシンク80上に面発光素子2が搭載される。その後、図1を参照して、ワイヤーボンドが実施されることにより配線である金線94が形成されるとともに、ステム93上に載置されることにより、本実施の形態における面発光装置1が完成する。   Next, an element mounting step is performed as a step (S120). In this step (S120), referring to FIG. 16, a separately prepared heat sink 80 and metal pads 70 of surface light emitting element 2 formed in the above steps (S10) to (S110) are used, for example, with solder. By joining, the surface light emitting element 2 is mounted on the heat sink 80. That is, in the step (S120), the side opposite to the n-InP substrate 10 as viewed from the quantum cascade active layer 30, that is, the side of the layer formed by epitaxial growth as viewed from the n-InP substrate 10 is bonded to the heat sink 80. Thus, the surface light emitting element 2 is mounted on the heat sink 80. Thereafter, with reference to FIG. 1, wire bonding is performed to form gold wire 94 which is a wiring, and is placed on stem 93, so that surface light emitting device 1 in the present embodiment can be obtained. Complete.

以上のように工程(S10)〜(S120)が実施されることにより、煩雑な融着法やエピ再成長による埋込法を用いることなく、本実施の形態における面発光装置1を容易に製造することができる。   By performing the steps (S10) to (S120) as described above, the surface light emitting device 1 according to the present embodiment can be easily manufactured without using a complicated fusion method or an embedding method by epi-regrowth. can do.

以下、本発明の実施例1について説明する。本発明の面発光装置において、当該面発光装置に含まれる面発光素子のヒートシンク体への搭載態様の効果を確認するシミュレーション試験を実施した。試験の手順は以下の通りである。   Embodiment 1 of the present invention will be described below. In the surface light-emitting device of the present invention, a simulation test was performed to confirm the effect of the mounting mode of the surface light-emitting elements included in the surface light-emitting device on the heat sink body. The test procedure is as follows.

図17は、本発明の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。また、図18は、本発明の範囲外の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。   FIG. 17 is a schematic perspective view showing the simulation conditions assuming the mounting mode of the surface light emitting device of the present invention. FIG. 18 is a schematic perspective view showing the conditions of the simulation assuming the mounting mode of the surface light emitting element outside the scope of the present invention.

図17を参照して、本発明の範囲内である実施例の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件では、底面が一辺1200μmの正方形形状を有し、厚み300μmのヒートシンク103、厚み2μmのAu層102、厚み0.1μmのSiO層104および厚み100μmの面発光素子101を順次直方体形状に積層したものを想定した。そして、実施例の搭載態様においては、量子カスケード活性層から見て基板とは反対側がヒートシンク体に接続されていることにより、面発光素子101内に配置される発光層109(発熱層)が、SiO層104から2μmの距離に配置されている。なお、発光層109の形状は、平面形状が一辺100μmの正方形形状、厚み1μmとした。 Referring to FIG. 17, under the simulation conditions assuming the mounting mode of the surface light emitting device of the embodiment within the scope of the present invention, the bottom surface has a square shape with a side of 1200 μm, the heat sink 103 with a thickness of 300 μm, and the thickness of 2 μm. It was assumed that the Au layer 102, the 0.1 μm thick SiO 2 layer 104, and the 100 μm thick surface light emitting device 101 were sequentially stacked in a rectangular parallelepiped shape. In the mounting mode of the embodiment, the light emitting layer 109 (heat generating layer) disposed in the surface light emitting element 101 is connected to the heat sink body on the side opposite to the substrate when viewed from the quantum cascade active layer. The SiO 2 layer 104 is disposed at a distance of 2 μm. The shape of the light emitting layer 109 was a square shape having a 100 μm side and a thickness of 1 μm.

一方、図18を参照して、本発明の範囲外である比較例の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件では、底面が一辺1200μmの正方形形状を有し、厚み300μmのヒートシンク103、厚み2μmのAu層102および厚み100μmの面発光素子101を順次直方体形状に積層したものを想定した。そして、比較例の搭載態様においては、量子カスケード活性層から見て基板側がヒートシンク体に接続されていることにより、面発光素子101内に配置される発光層109(発熱層)が、Au層102とは反対側の表面から2μmの距離に配置されている。なお、発光層109の形状は、実施例の場合と同様に平面形状が一辺100μmの正方形形状、厚み1μmとした。   On the other hand, referring to FIG. 18, under the simulation conditions assuming the mounting mode of the surface light emitting device of the comparative example that is outside the scope of the present invention, the heat sink 103 having a square shape with a bottom surface of 1200 μm on one side and a thickness of 300 μm, It was assumed that an Au layer 102 having a thickness of 2 μm and a surface light emitting device 101 having a thickness of 100 μm were sequentially stacked in a rectangular parallelepiped shape. In the mounting mode of the comparative example, the light emitting layer 109 (heat generation layer) disposed in the surface light emitting element 101 is connected to the Au layer 102 by connecting the substrate side to the heat sink body as viewed from the quantum cascade active layer. It is arranged at a distance of 2 μm from the surface on the opposite side. In addition, the shape of the light emitting layer 109 was set to a square shape with a 100 μm side and a thickness of 1 μm as in the case of the example.

そして、実施例および比較例ともに発熱密度を4.2×10W/cm、電流密度を10kA/cmとして、面発光装置の動作中における温度分布を求めた。 Then, in both the examples and the comparative examples, the heat generation density was 4.2 × 10 9 W / cm 3 and the current density was 10 kA / cm 2 , and the temperature distribution during the operation of the surface light emitting device was obtained.

図19は、実施例1における実施例の試験結果を示す図である。また、図20は、図19の要部を拡大して示す図である。また、図21は、実施例1における比較例の試験結果を示す図である。また、図22は、図21の要部を拡大して示す図である。なお、図19および図21において、直方体の図形の下部に表示される連結された複数の長方形の図形は、温度分布の凡例を示している。凡例内の長方形と同じ形態の斜線が付された領域は、当該長方形の両端側に記載された数値(単位:℃)の間の温度となっていたことを示している。また、図19および図21は、それぞれ図17および図18を底面に垂直であり、かつ底面の重心において直交する2つの面で切断した系の温度分布を示している。すなわち、図19および図21の左端における厚み方向に延びる稜線は、図17および図18の発光層109の平面形状における重心通り、底面に垂直な直線に一致する。   FIG. 19 is a diagram illustrating test results of the example in Example 1. FIG. 20 is an enlarged view showing a main part of FIG. FIG. 21 is a diagram showing the test results of the comparative example in Example 1. FIG. 22 is an enlarged view showing a main part of FIG. In FIG. 19 and FIG. 21, a plurality of connected rectangular figures displayed at the bottom of the rectangular parallelepiped figure indicate the legend of the temperature distribution. The hatched area of the same shape as the rectangle in the legend indicates that the temperature is between the numerical values (unit: ° C.) described on both ends of the rectangle. FIGS. 19 and 21 show temperature distributions of the system in which FIGS. 17 and 18 are cut by two planes perpendicular to the bottom surface and orthogonal to the center of gravity of the bottom surface, respectively. That is, the ridge line extending in the thickness direction at the left end in FIGS. 19 and 21 matches the straight line perpendicular to the bottom surface as the center of gravity in the planar shape of the light emitting layer 109 in FIGS. 17 and 18.

図19〜図22を参照して、実施例の搭載態様を採用した場合、温度が上昇している領域がヒートシンク体の内部に大きく広がり、最も高温となった領域の温度は55℃となっていた。これに対し、比較例の搭載態様を採用した場合、温度が上昇している領域のヒートシンク体の内部への広がりが小さくなっており、最も高温となった領域の温度は150℃となっていた。   With reference to FIGS. 19 to 22, when the mounting mode of the embodiment is adopted, a region where the temperature is rising greatly spreads inside the heat sink body, and the temperature of the region where the temperature is highest is 55 ° C. It was. On the other hand, when the mounting mode of the comparative example is adopted, the spread of the region where the temperature is rising to the inside of the heat sink body is small, and the temperature of the region where the temperature is highest is 150 ° C. .

これは、平面状の発熱領域からの放熱経路は1次元的にならざるを得ないところ、実施例の搭載態様を採用することで発熱層からの熱がヒートシンク体に効率よく放熱され、温度上昇が抑制されたためであると考えられる。   This is because the heat dissipation path from the planar heat generation area must be one-dimensional, but by adopting the mounting mode of the embodiment, the heat from the heat generation layer is efficiently dissipated to the heat sink body, and the temperature rises. This is considered to be because of the suppression.

以上の結果より、本発明の構成である上記実施例における面発光素子のヒートシンク体への搭載態様を採用することにより、発熱層において発生する熱を効率よくヒートシンク体に放熱することが可能となり、面発光装置の温度上昇を抑制できることが確認された。   From the above results, it is possible to efficiently dissipate the heat generated in the heat generating layer to the heat sink body by adopting the mounting aspect of the surface light emitting element in the above embodiment which is the configuration of the present invention to the heat sink body, It was confirmed that the temperature rise of the surface light emitting device can be suppressed.

次に、本発明の実施例2について説明する。本発明の面発光装置において、当該面発光装置に含まれるヒートシンク体の熱伝導率と面発光素子の温度上昇との関係を調査するシミュレーション試験を実施した。試験の手順は以下の通りである。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the surface light emitting device of the present invention, a simulation test was conducted to investigate the relationship between the thermal conductivity of the heat sink body included in the surface light emitting device and the temperature rise of the surface light emitting element. The test procedure is as follows.

図23は、シミュレーションの条件を示す概略斜視図である。図23を参照して、実施例2におけるシミュレーションでは、直方体形状のヒートシンク体203上に、直方体形状のAuSn層202、SiO層204および量子カスケード活性層を含む面発光素子201を順次積層した系を想定した。面発光素子201の内部には、底面が一辺100μmの正方形形状、厚み1μmの発熱層を配置した。そして、シートシンク体の熱伝導率を100〜1000W/mKの範囲で変化させ、面発光装置の動作中における面発光素子の温度(素子最高温度)を調査した。 FIG. 23 is a schematic perspective view showing simulation conditions. Referring to FIG. 23, in the simulation in Example 2, a system in which a rectangular parallelepiped AuSn layer 202, a SiO 2 layer 204, and a surface light emitting element 201 including a quantum cascade active layer are sequentially stacked on a rectangular parallelepiped heat sink body 203. Was assumed. Inside the surface light emitting device 201, a heat generating layer having a bottom surface of a square shape with a side of 100 μm and a thickness of 1 μm was disposed. Then, the thermal conductivity of the sheet sink body was changed in the range of 100 to 1000 W / mK, and the temperature of the surface light emitting element (element maximum temperature) during the operation of the surface light emitting device was investigated.

図24は、実施例2における試験結果を示す図である。図24において、横軸はヒートシンク体の熱伝導率、縦軸は面発光装置の動作中における面発光素子の温度を示している。また、図中において、横軸に平行な破線は、面発行装置に含まれる量子カスケード活性層がレーザ発振を継続することが可能な最高温度(連続発振限界)を示している。   FIG. 24 is a diagram showing test results in Example 2. 24, the horizontal axis represents the thermal conductivity of the heat sink body, and the vertical axis represents the temperature of the surface light emitting element during the operation of the surface light emitting device. In the drawing, a broken line parallel to the horizontal axis indicates the maximum temperature (continuous oscillation limit) at which the quantum cascade active layer included in the surface issuing device can continue laser oscillation.

図24を参照して、図23において説明した実施例2の系においては、ヒートシンク体を構成する素材の熱伝導率が150W/mK以上であることにより、本発明の面発光装置が連続発振可能であることが分かった。このことから、本発明の面発光素子においては、ヒートシンク体を構成する素材の熱伝導率は、150W/mK以上であることが好ましいといえる。   Referring to FIG. 24, in the system of Example 2 described in FIG. 23, the surface light emitting device of the present invention can continuously oscillate because the heat conductivity of the material constituting the heat sink body is 150 W / mK or more. It turns out that. From this, in the surface light emitting device of the present invention, it can be said that the thermal conductivity of the material constituting the heat sink body is preferably 150 W / mK or more.

次に、本発明の実施例3について説明する。種々の素材からなるヒートシンク体を採用した面発光装置を実際に作製し、連続発振の可否に及ぼすヒートシンク体の素材の影響を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。   Next, Embodiment 3 of the present invention will be described. A surface light emitting device employing a heat sink body made of various materials was actually fabricated, and an experiment was conducted to investigate the influence of the material of the heat sink body on whether continuous oscillation is possible. The experimental procedure is as follows.

まず、上記実施の形態と同様の構成を有する面発光装置を作製した。具体的には、まずn−InP基板(001)面上に、厚み100nmの格子整合n−InGaAsバッファ層、量子カスケード活性層、厚み500nmの格子整合n−InGaAsガイド層、厚み1μmのn−InP層をMBE法によりエピタキシャル成長させた。量子カスケード活性層は、バリア層をAlInAs(Al組成0.48)とし、井戸層をInGaAs(Ga組成0.47)とし、高バイアス側である表面電極側から低バイアス側である裏面電極に向けて、バリア層/(井戸層)/バリア層/(井戸層)/・・・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、この周期を複数(たとえば10〜100周期、たとえば30周期)繰返した構成とした。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井戸層の厚みを示す。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約1440nmとなった。   First, a surface light emitting device having the same configuration as that of the above embodiment was manufactured. Specifically, first, on a n-InP substrate (001) surface, a lattice-matched n-InGaAs buffer layer having a thickness of 100 nm, a quantum cascade active layer, a lattice-matched n-InGaAs guide layer having a thickness of 500 nm, and an n-InP having a thickness of 1 μm. The layer was epitaxially grown by the MBE method. In the quantum cascade active layer, the barrier layer is made of AlInAs (Al composition 0.48), the well layer is made of InGaAs (Ga composition 0.47), and the surface electrode side on the high bias side is directed to the back electrode on the low bias side. Thus, a configuration in which barrier layers / (well layers) / barrier layers / (well layers) /. The thicknesses of these layers are 5 nm / (1 nm) /1.5 nm / (4.5 nm) / 2 nm / (4 nm) / 3 nm / (2.5 nm) /2.5 nm / (2.2 nm) / 2. A laminated structure composed of 18 layers of 2 nm / (2 nm) / 2 nm / (2 nm) /2.2 nm / (2 nm) / 3 nm / (2 nm) is defined as one period, and this period is plural (for example, 10 to 100 periods, For example, 30 cycles). In the thickness display described above, the value of the thickness enclosed in parentheses indicates the thickness of the well layer. As a result, the thickness of the quantum cascade active layer was about 1440 nm.

このようにして作製されたエピウェハのn−InP層上に、平面形状が一辺100μmの正方形形状を有する表面電極を形成した。一方、n−InP基板においてn−InGaAsバッファ層が形成された側とは反対側の主表面上に、裏面電極を形成した。この裏面電極には、表面電極が形成される領域の直下に位置するように、両面マスクアライナーを用いて、窓部92Aを形成した。表面電極および裏面電極は、いずれもたとえばAu−Ge−Ni合金からなる層を蒸着することにより形成した。   A surface electrode having a square shape with a planar shape of 100 μm on one side was formed on the n-InP layer of the epi-wafer thus fabricated. On the other hand, a back electrode was formed on the main surface opposite to the side where the n-InGaAs buffer layer was formed on the n-InP substrate. A window portion 92A was formed on the back surface electrode using a double-sided mask aligner so as to be located immediately below the region where the front surface electrode was formed. Both the front electrode and the back electrode were formed by evaporating a layer made of, for example, an Au—Ge—Ni alloy.

そして、上記実施の形態と同様の手順で、格子定数1.8μm、空気充填率15%(空気孔は730nmの直径を有する円形)の三角格子を構成する孔を有するフォトニック結晶層を作製した。孔の深さは1μmとした。また、フォトニック結晶層のうち孔が形成されている領域の平面形状は、一辺100μmの正方形形状とした。そして、表面電極の周囲をSiO膜で覆い、その上に一辺400μm、厚み1μmの金からなる金属パッドを蒸着法にて形成して、面発光素子を完成させた。その後、この面発光素子を、本発明の構成に従って、金属パッドとヒートシンクとをAu−Sn(金−スズ)はんだで接合することにより、ヒートシンク上に搭載した。 Then, a photonic crystal layer having holes constituting a triangular lattice having a lattice constant of 1.8 μm and an air filling ratio of 15% (air holes are circular with a diameter of 730 nm) was manufactured in the same procedure as in the above embodiment. . The depth of the hole was 1 μm. In addition, the planar shape of the region where the hole is formed in the photonic crystal layer was a square shape having a side of 100 μm. Then, the periphery of the surface electrode was covered with a SiO 2 film, and a metal pad made of gold having a side of 400 μm and a thickness of 1 μm was formed thereon by a vapor deposition method to complete a surface light emitting device. Thereafter, the surface light emitting device was mounted on the heat sink by bonding the metal pad and the heat sink with Au—Sn (gold-tin) solder according to the configuration of the present invention.

ヒートシンクとしては、(1)金めっきを施した一辺1mmの立方体形状を有するシリコン製のヒートシンク(熱伝導率:140W/mK)、(2)金めっきを施した一辺1mmの立方体形状を有する銅−タングステン合金製のヒートシンク(熱伝導率:180W/mK)、(3)金めっきを施した一辺1mmの立方体形状を有する窒化アルミニウム製のヒートシンク(熱伝導率:230W/mK)、の3種類を採用した。   As the heat sink, (1) a silicon heat sink (thermal conductivity: 140 W / mK) having a 1 mm side cube shape subjected to gold plating, and (2) a copper shape having a 1 mm side cube shape subjected to gold plating Three types of heat sinks made of tungsten alloy (thermal conductivity: 180 W / mK) and (3) heat sink made of aluminum nitride having a 1 mm side cubic shape with gold plating (thermal conductivity: 230 W / mK) are used. did.

そして、上記3種類のヒートシンクを採用した面発光装置の面発光素子に対して適切なバイアスの下、電流を流した。その結果、(2)および(3)のヒートシンクを採用した面発光装置は室温において連続発振したのに対し、(1)のヒートシンクを採用した面発光装置はパルス発振しかしなかった。なお、(2)および(3)のヒートシンクを採用した面発光装置の発振波長は5μmの単一波長であった。   Then, a current was passed under an appropriate bias to the surface light emitting element of the surface light emitting device employing the above three types of heat sinks. As a result, the surface light-emitting devices employing the heat sinks (2) and (3) oscillated continuously at room temperature, whereas the surface light-emitting devices employing the heat sink (1) were only pulsed. In addition, the oscillation wavelength of the surface emitting device employing the heat sinks (2) and (3) was a single wavelength of 5 μm.

以上の実験結果より、ヒートシンクを構成する素材としては、熱伝導率が150W/mKの素材を採用することが好ましいことが確認された。   From the above experimental results, it was confirmed that it is preferable to employ a material having a thermal conductivity of 150 W / mK as the material constituting the heat sink.

次に、本発明の実施例4について説明する。面発光装置の動作中における量子カスケード活性層の温度に及ぼす導電体パッドの形状の影響を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. An experiment was conducted to investigate the effect of the shape of the conductor pad on the temperature of the quantum cascade active layer during the operation of the surface emitting device. The experimental procedure is as follows.

まず、上記実施例3と同様に面発光素子を準備し、金めっきを施した一辺1mmの立方体形状を有する窒化アルミニウム製のヒートシンクに搭載して面発光装置を作製した。ここで、導電体パッド(金属パッド)を構成する素材は金とし、金属パッドの形状のみを以下のように変更した。   First, a surface light emitting device was prepared in the same manner as in Example 3 described above, and mounted on a heat sink made of aluminum nitride having a 1 mm side cubic shape subjected to gold plating to produce a surface light emitting device. Here, the material constituting the conductor pad (metal pad) was gold, and only the shape of the metal pad was changed as follows.

図25〜図27は、実施例4における金属パッドの形状を示す概略平面図である。また、図28〜図30は、実施例4における金属パッドの形状を示す概略断面図である。   FIGS. 25 to 27 are schematic plan views showing the shapes of the metal pads in the fourth embodiment. 28 to 30 are schematic cross-sectional views showing the shape of the metal pad in Example 4.

図25〜図30を参照して、本実施例では金属パッドの形状として、(1)平面形状が一辺200μmの正方形形状、厚み1μm(図25および図28参照)、(2)平面形状が縦800μm、横200μmの長方形形状、厚み1μm(図26および図28参照)、(3)平面形状が一辺400μmの正方形形状、厚み1μm(図27および図28参照)、(4)平面形状が一辺400μmの正方形形状、厚み0.3μm(図27および図29参照)、(5)平面形状が一辺400μmの正方形形状、厚み5μm(図27および図30参照)を採用した。そして、各面発光装置に対して環境温度を変化させつつ通電を行ない、発振閾値の温度変化を調査することにより、同じ電力を投入した際の量子カスケード活性層の温度を推定した。   Referring to FIGS. 25 to 30, in this embodiment, the metal pads are shaped as follows: (1) a square shape having a 200 μm side, a thickness of 1 μm (see FIGS. 25 and 28), and (2) a planar shape being vertical. A rectangular shape of 800 μm, a width of 200 μm, a thickness of 1 μm (see FIGS. 26 and 28), (3) a square shape having a planar shape of 400 μm on one side, a thickness of 1 μm (see FIGS. 27 and 28), and a (4) a planar shape having a side of 400 μm. A square shape with a thickness of 0.3 μm (see FIGS. 27 and 29) and (5) a square shape with a 400 μm side and a thickness of 5 μm (see FIGS. 27 and 30) were adopted. Then, each surface light emitting device was energized while changing the environmental temperature, and the temperature change of the oscillation threshold was investigated to estimate the temperature of the quantum cascade active layer when the same power was applied.

その結果、金属パッドの形状が上記(3)であるサンプルの量子カスケード活性層の温度が50℃のとき、(1)および(4)の形状では57℃、(2)の形状では54℃、(5)の形状では45℃となっていた。   As a result, when the temperature of the quantum cascade active layer of the sample in which the shape of the metal pad is (3) is 50 ° C., the shape of (1) and (4) is 57 ° C., the shape of (2) is 54 ° C., The shape of (5) was 45 ° C.

以上の実験結果より、本発明の面発光装置においては、導電体パッドの平面形状を表面電極の平面形状に対して相似形状に拡大した形状とすること、および導電体パッドの厚みを大きくすることによりヒートスプレッド効果が大きくなり、放熱性を向上させることが可能であることが確認された。   From the above experimental results, in the surface light emitting device of the present invention, the planar shape of the conductor pad is enlarged to a similar shape to the planar shape of the surface electrode, and the thickness of the conductor pad is increased. As a result, it was confirmed that the heat spread effect is increased and the heat dissipation can be improved.

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.

本発明の面発光装置およびその製造方法は、サブバンド間遷移を用いた活性層を含む量子カスケードレーザ素子を備える面発光装置およびその製造方法に、特に有利に適用される。   The surface emitting device and the manufacturing method thereof according to the present invention are particularly advantageously applied to a surface emitting device including a quantum cascade laser element including an active layer using intersubband transition and a manufacturing method thereof.

本発明の一実施の形態における面発光装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the surface emitting device in one embodiment of this invention. 図1の面発光装置に含まれるフォトニック結晶層の構成の一部を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows a part of structure of the photonic crystal layer contained in the surface emitting device of FIG. 図1の面発光装置に含まれる表面電極、金属パッドおよびヒートシンクの構成を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the surface electrode, metal pad, and heat sink which are included in the surface emitting device of FIG. 図1の面発光装置に含まれるn−InP基板および裏面電極の構成を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the n-InP board | substrate and back electrode which are included in the surface emitting device of FIG. 三角格子における光の回折を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffraction of the light in a triangular lattice. フォトニック結晶層の他の構成を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the other structure of a photonic crystal layer. 正方格子における光の回折を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffraction of the light in a square lattice. 本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing method of the surface emitting device in one embodiment of this invention. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a surface emitting device. 本発明の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the conditions of the simulation supposing the mounting aspect of the surface emitting element of this invention. 本発明の範囲外の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the conditions of the simulation which assumed the mounting aspect of the surface emitting element outside the range of this invention. 実施例1における実施例の試験結果を示す図である。It is a figure which shows the test result of the Example in Example 1. FIG. 図19の要部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the principal part of FIG. 実施例1における比較例の試験結果を示す図である。6 is a diagram showing test results of a comparative example in Example 1. FIG. 図21の要部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the principal part of FIG. シミュレーションの条件を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the conditions of simulation. 実施例2における試験結果を示す図である。It is a figure which shows the test result in Example 2. FIG. 実施例4における金属パッドの形状を示す概略平面図である。6 is a schematic plan view showing the shape of a metal pad in Example 4. FIG. 実施例4における金属パッドの形状を示す概略平面図である。6 is a schematic plan view showing the shape of a metal pad in Example 4. FIG. 実施例4における金属パッドの形状を示す概略平面図である。6 is a schematic plan view showing the shape of a metal pad in Example 4. FIG. 実施例4における金属パッドの形状を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the shape of the metal pad in Example 4. 実施例4における金属パッドの形状を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the shape of the metal pad in Example 4. 実施例4における金属パッドの形状を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the shape of the metal pad in Example 4.

符号の説明Explanation of symbols

1 面発光装置、2 面発光素子、10 n−InP基板、20 n−InGaAsバッファ層、30 量子カスケード活性層、40 n−InGaAsガイド層、50 フォトニック結晶層、51 孔、52 ベース層、55 n−InP層、60 表面電極、70 金属パッド、80 ヒートシンク、91 はんだ層、92 裏面電極、92A 窓部、93 ステム、94 金線、95 絶縁層、101,201 面発光素子、102 Au層、103 ヒートシンク、104,204 SiO層、109 発光層、202 AuSn層、203 ヒートシンク体。 1 surface emitting device, 2 surface emitting element, 10 n-InP substrate, 20 n-InGaAs buffer layer, 30 quantum cascade active layer, 40 n-InGaAs guide layer, 50 photonic crystal layer, 51 hole, 52 base layer, 55 n-InP layer, 60 surface electrode, 70 metal pad, 80 heat sink, 91 solder layer, 92 back electrode, 92A window, 93 stem, 94 gold wire, 95 insulating layer, 101, 201 surface light emitting element, 102 Au layer, 103 heat sink, 104, 204 SiO 2 layer, 109 light emitting layer, 202 AuSn layer, 203 heat sink body.

Claims (8)

ヒートシンク体と、前記ヒートシンク体に搭載される面発光素子とを備える面発光装置であって、
前記面発光素子は、
第1導電型の基板と、
前記基板の主表面上に形成された、サブバンド間遷移を用いた活性層と、
前記基板の前記主表面上において、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、
前記基板の前記主表面上において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、
前記基板の前記主表面上において、前記活性層と積層するように形成された電極と、
前記電極に接続される導電体パッドとを含み、
前記導電体パッドと前記ヒートシンク体とが接続材層を介して接続されることにより、前記面発光素子は前記ヒートシンク体に搭載されている、面発光装置。
A surface light emitting device comprising a heat sink body and a surface light emitting element mounted on the heat sink body,
The surface light emitting element is
A first conductivity type substrate;
An active layer formed on the main surface of the substrate using intersubband transition;
A first conductivity type semiconductor layer disposed on the main surface of the substrate so as to sandwich the active layer;
A two-dimensional diffraction grating laminated with the semiconductor layer on the main surface of the substrate and independent of the active layer;
An electrode formed on the main surface of the substrate so as to be laminated with the active layer;
A conductor pad connected to the electrode,
The surface light emitting device in which the surface light emitting element is mounted on the heat sink body by connecting the conductor pad and the heat sink body via a connecting material layer.
前記導電体パッドは、前記電極の平面形状より大きな平面形状を有している、請求項1に記載の面発行装置。   The surface issuing device according to claim 1, wherein the conductor pad has a planar shape larger than a planar shape of the electrode. 前記ヒートシンク体を構成する材料の熱伝導度は150W/mK以上である、請求項1または2に記載の面発光装置。   The surface light-emitting device according to claim 1, wherein the material constituting the heat sink body has a thermal conductivity of 150 W / mK or more. 前記電極の重心と、前記導電体パッドの重心とは、前記接続材層が接続されている前記ヒートシンク体表面に垂直な方向において整列している、請求項1〜3のいずれか1項に記載の面発光装置。   The center of gravity of the electrode and the center of gravity of the conductor pad are aligned in a direction perpendicular to the surface of the heat sink body to which the connection material layer is connected. Surface light emitting device. 前記導電体パッドの厚みは1μm以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の面発光装置。   The surface emitting device according to claim 1, wherein the conductor pad has a thickness of 1 μm or more. 面発光素子を形成する工程と、
前記面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程とを備え、
前記面発光素子を形成する工程は、
第1導電型の基板を準備する工程と、
前記基板の主表面上に、サブバンド間遷移を用いた活性層と、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を形成する工程と、
前記基板の主表面上において前記半導体層と積層され、前記活性層と独立した2次元回折格子を形成する工程と、
前記基板の主表面上において、前記活性層と積層するように電極を形成する工程と、
前記電極に接続される導電体パッドを形成する工程とを含み、
前記面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程では、前記面発光素子における前記導電体パッドと前記ヒートシンク体とが接続材層を介して接続される、面発光装置の製造方法。
Forming a surface light emitting element;
Mounting the surface light emitting element on a heat sink body,
The step of forming the surface light emitting element includes:
Preparing a first conductivity type substrate;
Forming, on the main surface of the substrate, an active layer using intersubband transition, and a first conductivity type semiconductor layer disposed so as to sandwich the active layer;
Laminating with the semiconductor layer on the main surface of the substrate, forming a two-dimensional diffraction grating independent of the active layer;
Forming an electrode on the main surface of the substrate so as to be laminated with the active layer;
Forming a conductive pad connected to the electrode,
In the step of mounting the surface light emitting element on a heat sink body, the method of manufacturing a surface light emitting device, wherein the conductor pad and the heat sink body in the surface light emitting element are connected via a connecting material layer.
前記導電体パッドを形成する工程では、前記電極の平面形状より大きな平面形状を有する前記導電体パッドが形成される、請求項6に記載の面発光装置の製造方法。   The method for manufacturing a surface light emitting device according to claim 6, wherein in the step of forming the conductor pad, the conductor pad having a planar shape larger than a planar shape of the electrode is formed. 前記導電体パッドを形成する工程は、メッキ法を用いて前記導電体パッドを形成する工程を含む、請求項6または7に記載の面発光装置の製造方法。   The method of manufacturing a surface light emitting device according to claim 6, wherein the step of forming the conductor pad includes a step of forming the conductor pad using a plating method.
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