JP2010098136A - フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造プロセスを簡略化しつつ、室温において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フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】面発光レーザ１は、活性層１３と、活性層１３を挟むように配置されたｎ−クラッド層１２およびｐ−クラッド層１４と、ｐ−クラッド層１４の表面上に形成され、活性層１３と独立したフォトニック結晶層１５と、フォトニック結晶層１５と接触するように形成されたｐ型表面電極１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、製造プロセスを簡略化しつつ、室温において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フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法に関する。

近年、面発光レーザ素子の構造中に２次元フォトニック結晶層を挿入することにより、当該フォトニック結晶層を光共振器および回折格子として機能させ、単一モード発振と面発光とを実現するフォトニック結晶面発光レーザ素子が提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。特許文献１に開示されたフォトニック結晶面発光レーザ素子では、フォトニック結晶層を別途形成し、活性層が形成された基板に当該フォトニック結晶層を融着する融着法を用いることにより、構造中にフォトニック結晶層を形成している。また、特許文献２に開示されたフォトニック結晶面発光レーザ素子では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料の特異な性質を利用し、フォトニック結晶層上にさらに半導体層をエピタキシャル成長させる再成長エピ法を用いて、構造中にフォトニック結晶層を形成している。

さらに、フォトニック結晶面発光レーザ素子の一例として、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構造中に形成した欠陥型フォトニック結晶レーザが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。この欠陥型フォトニック結晶レーザにおいては、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へのレーザ発振を達成している。
特許第３９８３９３３号明細書 国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット 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

しかしながら、上記特許文献１、２に開示されたフォトニック結晶面発光レーザ素子においては、活性層の近傍にフォトニック結晶層を配置し、当該フォトニック結晶層と電極との間に半導体層であるクラッド層を配置する構造が採用される。その結果、このクラッド層をフォトニック結晶層上に形成するため、融着法や再成長エピ法などの煩雑な製造工程を含む製造プロセスを採用する必要があるという問題がある。

また、上記非特許文献１に開示された欠陥型フォトニック結晶レーザは、欠陥部に強く局在モードを閉じ込めるため、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生じ、フォトニック結晶の空気孔が活性層にまで到達する構造となっている。その結果、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。そのため、非特許文献１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、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。したがって、非特許文献１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。

さらに、欠陥型フォトニック結晶レーザにおいては、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。そのため、局在する光の量を大きくすることが難しく、高出力のレーザ発振は困難であると考えられる。また、たと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。

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、製造プロセスを簡略化しつつ、室温において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フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法を提供することである。

本発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、活性層を挟むように配置された半導体層と、半導体層の表面上に形成され、活性層と独立した２次元回折格子と、２次元回折格子と接触するように形成された電極とを備えている。

本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子においては、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、本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子においては、出射面を大きくすることにより光集中を抑制することが可能であるため、非特許文献１に開示された欠陥型フォトニック結晶レーザ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。さらに、本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子においては、２次元回折格子と接触するように電極が形成されており、２次元回折格子と当該電極との間にクラッド層などの半導体層を形成する必要がない。その結果、融着法や再成長エピ法などの煩雑な製造工程を含む製造プロセスを採用する必要がなく、簡便な製造プロセスにより製造することが可能となっている。

以上のように、本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子によれば、製造プロセスを簡略化しつつ、室温において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フォトニック結晶面発光レーザ素子を提供することができる。

上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において好ましくは、活性層から出射される光の波長は１．５μｍ以上８μｍ以下の範囲内となっている。

このような中赤外領域の光を出射する活性層を採用することにより、エバネッセント光の広がる領域が広くなり、活性層と２次元回折格子との距離を大きくしても、エバネッセント光を２次元回折格子に到達させることが可能となる。そのため、電極と接触する位置に２次元回折格子を配置する上記本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子の構造を採用することが容易となる。

上記フォトニック結晶面発光レーザ素子においては、２次元回折格子は、低屈折率部分と、当該低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有するものとすることができる。そして、高屈折率部分は半導体からなり、低屈折率部分は、高屈折率部分に形成された孔とすることができる。

このような構成の２次元回折格子は、高屈折率部分となる半導体層の形成とエッチングなどによる孔の形成という比較的簡単な工程で形成できる。そのため、製造工程の簡略化が可能となり、低コストなフォトニック結晶面発光レーザ素子を実現することができる。

上記フォトニック結晶面発光レーザ素子においては、２次元回折格子は、低屈折率部分と、当該低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有するものとすることができる。そして、高屈折率部分は半導体からなり、低屈折率部分は、高屈折率部分に形成された孔の内部に配置される誘電体を含むものとすることができる。

このような構成の２次元回折格子は、高屈折率部分となる半導体層の形成とエッチングなどによる孔の形成、および当該孔の内部における誘電体の形成という比較的簡単な工程で形成できる。そのため、製造工程の簡略化が可能となり、低コストなフォトニック結晶面発光レーザ素子を実現することができる。

上記フォトニック結晶面発光レーザ素子においては、２次元回折格子は、低屈折率部分と、当該低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有するものとすることができる。そして、高屈折率部分は金属からなり、低屈折率部分は半導体からなるものとすることができる。

このような構成の２次元回折格子は、低屈折率部分となる半導体層の形成と、金属を配置するためのたとえば孔のエッチングなどによる形成、および当該孔の内部における金属の形成という比較的簡単な工程で形成できる。そのため、製造工程の簡略化が可能となり、低コストなフォトニック結晶面発光レーザ素子を実現することができる。

本発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法は、活性層を形成する工程と、活性層上に半導体層を形成する工程と、半導体層上に、活性層と独立した２次元回折格子を形成する工程と、２次元回折格子に接触するように電極を形成する工程とを備えている。

このようにすれば、上記本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子を容易に製造することができる。また、半導体層上に２次元回折格子を形成するとともに、当該２次元回折格子に接触するように電極を形成するので、融着法やエピ再成長法などの煩雑な工程を実施する必要がない。そのため、フォトニック結晶面発光レーザ素子の製造工程を簡略化できるとともに、製造コストを低減することができる。

上記本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法においては、２次元回折格子を形成する工程は、半導体層上に、２次元回折格子を構成するベース層を形成する工程と、ベース層に凹部を形成する工程とを含むことができる。また、電極を形成する工程は、ベース層上に電極の一部を構成する導電体層を形成する工程と、導電体層上に、電極を構成する他の導電体層を形成する工程とを含むことができる。さらに、凹部を形成する工程では、導電体層およびベース層がエッチングにより部分的に除去されることによって凹部が形成されてもよい。そして、他の導電体層を形成する工程では、めっき法を用いて当該他の導電体層を横方向に成長させることによって、ベース層における凹部の上部を他の導電体により閉じることができる。

このような製造工程を採用することにより、ベース層に空孔（空気が充填された孔）が複数形成されて構成される２次元回折格子を容易に形成することができる。

上記本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法においては、２次元回折格子を形成する工程は、半導体層上に、２次元回折格子を構成するベース層を形成する工程と、ベース層に凹部を形成する工程と、凹部の内部を充填する誘電体層を形成する工程とを含んでもよい。また、電極を形成する工程は、ベース層上に電極の一部を構成する導電体層を形成する工程と、導電体層上に、電極を構成する他の導電体層を形成する工程とを含んでもよい。この場合、凹部を形成する工程では、導電体層およびベース層がエッチングにより部分的に除去されることによって凹部が形成されてもよい。そして、他の導電体層を形成する工程では、めっき法を用いて他の導電体層を横方向に成長させることによって、誘電体層が形成されたベース層における凹部の上部を他の導電体により閉じるようにしてもよい。

このような製造工程を採用することにより、誘電体層が充填された凹部がベース層に複数形成されて構成される２次元回折格子を容易に形成することができる。

上記本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法においては、２次元回折格子を形成する工程は、半導体層上に、２次元回折格子を構成するベース層を形成する工程と、ベース層に凹部を形成する工程とを含んでもよい。この場合、電極を形成する工程では、凹部の内部からベース層の上部表面上にまで延在するように電極が形成されてもよい。

このような製造工程を採用することにより、ベース層に電極の一部が充填された凹部が複数形成された形態の２次元回折格子を容易に形成することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法によれば、製造プロセスを簡略化しつつ、室温において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フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法を提供することができる。

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。

（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子である面発光レーザの構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１の面発光レーザ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の面発光レーザが備えるｐ型表面電極の構成を示す概略平面図である。

図１を参照して、実施の形態１における面発光レーザ１は、中赤外域からテラヘルツ（ＴＨｚ）帯に渡る周波数の（波長が１．５μｍ以上１ｍｍ以下である）、特に中赤外域の周波数の（周波数が１．５μｍ以上８μｍ以下である）レーザ光を発振可能なレーザ素子である。

この面発光レーザ１は、導電型がｎ型（第１導電型）であるｎ−基板１１と、ｎ−基板１１の一方の主表面上に配置されたｎ型の半導体層としてのｎ−クラッド層１２と、ｎ−クラッド層１２上に配置された活性層１３と、活性層１３上に配置された導電型がｐ型（第２導電型）の半導体層としてのｐ−クラッド層１４と、ｐ−クラッド層１４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１５と、フォトニック結晶層１５上に接触して配置されたｐ型表面電極１６と、ｎ−基板１１においてｎ−クラッド層１２が配置されている側とは反対側の主表面上に形成されたｎ型裏面電極１７とを備えている。

ｎ−基板１１は、たとえばＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）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−クラッド層１２は、ｎ−基板１１の（００１）面に格子整合し、たとえばＡｌＧａＡｓＳｂ（アルミニウムガリウム砒素アンチモン）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型となっている。

活性層１３は、たとえばアンドープの（意図的な不純物の添加を行なわない）ＡｌＧａＳｂ（アルミニウムガリウムアンチモン）からなるバリア層と、アンドープのＩｎＧａＡｓＳｂ（インジウムガリウム砒素アンチモン）からなる井戸層とが交互に積層されたＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；多重量子井戸）構造を有している。

ｐ−クラッド層１４は、たとえばＡｌＧａＡｓＳｂからなるとともに、ｐ型不純物を含むことにより、導電型がｐ型（第２導電型）となっている。

フォトニック結晶層１５は、図１および図２を参照して、たとえばＡｌＧａＡｓＳｂからなるとともに、ｐ型不純物を含むことにより導電型がｐ型となっている主層１５Ａと、当該主層１５Ａ上に形成され、たとえばＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）からなるとともに、ｐ型不純物を含むことにより導電型がｐ型となっているコンタクト層１５Ｂとを含んでいる。そして、主層１５Ａとコンタクト層１５Ｂとはベース層１５Ｄを構成し、当該ベース層１５Ｄには、周期的な凹部としての孔１５Ｃが形成されている。より具体的には、フォトニック結晶層１５においては、空気孔である孔１５Ｃが三角格子状に配置されている。その結果、孔１５Ｃが低屈折率部分となり、その周囲のベース層１５Ｄ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１５Ｃ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１５と活性層１３との間は、たとえば１μｍ以上離れている。

つまり、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層１５は、低屈折率部分としての孔１５Ｃと、孔１５Ｃの屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分としてのベース層１５Ｄとを有している。そして、ベース層１５Ｄは半導体からなり、孔１５Ｃは、ベース層１５Ｄに形成された孔である。

ｐ型表面電極１６には、図１および図３に示すように、フォトニック結晶層１５における空気孔である孔１５Ｃと平面的に見て重なる位置に、孔１５Ｃの平面形状と同じ平面形状を有する孔１６Ａが形成されている。その結果、孔１６Ａおよび孔１５Ｃからは、ｐ−クラッド層１４が露出している。なお、ｐ型表面電極１６を構成する素材としては、コンタクト層１５Ｂとオーミックコンタクト可能な種々の素材を採用することができる。

ｎ型裏面電極１７は、ｎ−基板１１の裏面全体を覆うように形成されている。なお、ｎ型裏面電極１７を構成する素材としては、ｎ−基板１１とオーミックコンタクト可能な種々の素材を採用することができ、たとえばｐ型表面電極１６と同じ素材を採用することができる。

次に、本実施の形態における面発光レーザ１の動作について簡単に説明する。図１を参照して、ｐ型表面電極１６とｎ型裏面電極１７との間に電圧を印加すると、ｎ−クラッド層１２側から電子が、ｐ−クラッド層１４側から正孔が、それぞれ活性層１３に注入される。そして、活性層１３内において注入された当該電子と正孔とが再結合することにより、光が発生する。ここで、発生する光は、たとえば波長が１．５μｍ以上の比較的長波長の光である。なお、発生する光の波長は、活性層１３の構成により調整することができる。

活性層１３において発生した光は、ｎ−クラッド層１２とｐ−クラッド層１４とによって活性層１３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１５に到達する。ここで、活性層１３において発生する光が波長１．５μｍ以上の光（たとえば中赤外光）となるように、活性層１３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に示す面発光レーザ１においては、フォトニック結晶層１５と活性層１３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１５に活性層１３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１５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１５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。

このような現象は、活性層１３およびフォトニック結晶層１５が２次元的に広がりをもって形成されているので、ｐ型表面電極１６の直下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。

フォトニック結晶層１５（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。

図４は、三角格子における光の回折を説明するための図である。三角格子は、一辺の長さがａである正三角形によって埋め尽くされている。図４において、複数の格子点（孔１５Ｃ）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、活性層１３（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。

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_１、Ｌ_２、Ｌ_３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。

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１５Ｄ（特に主層１５Ａ；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。

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。

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。

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次元回折格子の主表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次元回折格子の主表面（フォトニック結晶層１５の主表面）に対して垂直方向に光が進行し、孔１５Ｃおよび孔１６Ａを通して矢印αの方向に沿って光が放出される。

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レーザ１は、面発光素子として機能することができる。

図５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５を参照して、フォトニック結晶層１５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１５Ｃ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１５Ｃ）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。

図６は、正方格子における光の回折を説明するための図である。正方格子は、一辺の長さがｄである正方形で埋め尽くされている。図６において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向Ｘ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、活性層１３（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。

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_１、Ｕ_２、Ｕ_３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_１、Ｖ_２、Ｖ_３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。

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。

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。

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および図４に基づいて説明したフォトニック結晶層１５に代えて、上記図５および図６に基づいて説明したフォトニック結晶層１５を使用した場合でも、本実施の形態における面発光レーザ１は、面発光素子として機能することができる。

ここで、面発光レーザ１は、第１導電型（ｎ型）の基板であるｎ−基板１１と、ｎ−基板１１上に形成されたｎ型の半導体層としてのｎ−クラッド層１２と、ｎ−クラッド層１２上に形成された活性層１３と、活性層１３上に形成された第２導電型（ｐ型）の半導体層としてのｐ−クラッド層１４と、ｐ−クラッド層１４上に形成され、活性層１３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１５と、フォトニック結晶層１５と接触するように形成されたｐ型表面電極１６とを備えている。

すなわち、面発光レーザ１は、活性層１３と、活性層１３を挟むように配置された半導体層としてのｎ−クラッド層１２およびｐ−クラッド層１４と、ｐ−クラッド層１４の表面上に形成され、活性層１３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１５と、フォトニック結晶層１５と接触するように形成されたｐ型表面電極１６とを備えるフォトニック結晶面発光レーザ素子である。

本実施の形態における面発光レーザ１においては、上述のように、フォトニック結晶層１５が活性層１３と独立して形成されている。そのため、フォトニック結晶層１５を構成する孔１５Ｃが活性層１３にまで到達する場合のように、活性層１３が孔１５Ｃ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。その結果、フォトニック結晶層１５の孔１５Ｃが活性層１３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、本実施の形態における面発光レーザ１においては、出射面を大きくすることにより光集中を抑制することが可能であるため、欠陥型フォトニック結晶レーザのような端面破壊現象が起こる可能性が低く、安定して動作することができる。さらに、本実施の形態における面発光レーザ１においては、フォトニック結晶層１５と接触するようにｐ型表面電極１６が形成されており、フォトニック結晶層１５とｐ型表面電極１６との間にクラッド層などの半導体層を形成する必要がない。その結果、融着法や再成長エピ法などの煩雑な製造工程を含む製造プロセスを採用する必要がなく、簡便な製造プロセスにより製造することが可能となっている。

なお、上述した特許文献１および２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以上１．５μｍ未満）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および２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レーザ１では、中赤外光からＴＨｚ帯域（波長にして１．５μｍ以上１０００μｍ以下）のレーザ光、特に中赤外光である波長１．５μｍ以上８μｍ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広くなる。そのため、フォトニック結晶層１５と活性層１３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、ｐ型表面電極１６に接触してフォトニック結晶層１５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レーザ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。

また、フォトニック結晶層１５における孔１５Ｃの加工位置と活性層１３との距離が離れていることから、孔１５Ｃを形成する際の加工に伴う活性層１３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１５を作り込む際に発生する応力と歪みが、活性層１３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。

以上のように、本実施の形態における面発光レーザ１は、製造プロセスを簡略化しつつ、室温において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フォトニック結晶面発光レーザ素子となっている。

次に、実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法について説明する。図７は、実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図８〜図１２は、実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法を説明するための概略断面図である。以下に説明する製造方法により、上記本実施の形態における面発光レーザ１を容易に製造することができる。

図７を参照して、本実施の形態における面発光レーザ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８を参照して、たとえばＧａＳｂからなり、導電型がｎ型であるｎ−基板１１が準備される。なお、本発明の面発光レーザを構成する基板の素材としては、ＧａＳｂのほか、ＩｎＡｓなどを採用することができる。

次に、工程（Ｓ２０）としてｎ−クラッド層形成工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図９を参照して、工程（Ｓ１０）において準備されたｎ−基板１１の一方の主表面（（００１）面）上に、たとえばＡｌＧａＡｓＳｂからなり、導電型がｎ型であるｎ−クラッド層１２が形成される。ｎ−クラッド層１２の形成は、たとえばｎ−基板１１上に、ｎ型不純物を含むＡｌＧａＡｓＳｂ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、本発明の面発光レーザを構成するｎ−クラッド層の素材としては、基板をＧａＳｂとする場合にたとえばＡｌＧａＡｓＳｂを採用することができるほか、基板をＩｎＡｓとする場合はＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂなどを採用することができる。

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−クラッド層１２上に活性層１３が形成される。具体的には、図９を参照して、工程（Ｓ２０）において形成されたｎ−クラッド層１２上に、アンドープのＡｌＧａＳｂからなるバリア層とアンドープのＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層とを交互に複数回繰り返してエピタキシャル成長させる。これにより、アンドープのＡｌＧａＳｂからなるバリア層と、アンドープのＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層とが交互に積層されたＭＱＷ構造を有する活性層１３が形成される。なお、本発明の面発光レーザ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ＧａＳｂとする場合にＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓＳｂを採用することができるほか、基板をＩｎＡｓとする場合はＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＳｂなどを採用することができる。

次に、工程（Ｓ４０）として、ｐ型半導体層形成工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図９を参照して、工程（Ｓ３０）において形成された活性層１３上に、たとえばＡｌＧａＡｓＳｂからなり、導電型がｐ型であるｐ型半導体層９１が形成される。このｐ型半導体層９１の形成は、活性層１３上に、たとえばｐ型不純物を含むＡｌＧａＡｓＳｂ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。このｐ型半導体層９１は、本実施の形態におけるｐ−クラッド層１４、およびフォトニック結晶層１５の主層１５Ａを構成する。なお、本発明の面発光レーザを構成するｐ−クラッド層１４およびフォトニック結晶層１５の主層１５Ａの素材としては、基板をＧａＳｂとする場合にＡｌＧａＡｓＳｂを採用することができるほか、基板をＩｎＡｓとする場合はＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂなどを採用することができる。

次に、工程（Ｓ５０）として、ｐ型コンタクト層形成工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図９を参照して、工程（Ｓ４０）において形成されたｐ型半導体層９１上に、たとえばＧａＳｂからなり、導電型がｐ型である第２ｐ型半導体層９２が形成される。この第２ｐ型半導体層９２の形成は、ｐ型半導体層９１上に、たとえばｐ型不純物を含むＧａＳｂ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。この第２ｐ型半導体層９２は、本実施の形態におけるフォトニック結晶層１５のコンタクト層１５Ｂを構成する。なお、本発明の面発光レーザを構成するコンタクト層の素材としては、基板をＧａＳｂとする場合にＧａＳｂなどを採用することができるほか、基板をＩｎＡｓとする場合はＩｎＡｓ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。

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１０を参照して、たとえば蒸着法を用いて第２ｐ型半導体層９２の上部表面上に導電体からなるｐ型表面電極１６が形成される。また、ｎ−基板１１の裏面側（ｎ−クラッド層１２が形成された表面とは反対側の裏面）に、蒸着法を用いてｎ型裏面電極１７が形成される。

次に、工程（Ｓ７０）として、凹部形成工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、ｐ型表面電極１６および第２ｐ型半導体層９２を貫通し、ｐ型半導体層９１の厚み方向の中央にまで至る凹部が形成される。この凹部は、図１を参照して、ｐ型表面電極１６の孔１６Ａおよびフォトニック結晶層１５の孔１５Ｃを構成する。

具体的には、図１１を参照して、まず第２ｐ型半導体層９２上にレジストが塗布されてレジスト層９９が形成される。その後、露光および現像が実施されることにより、所望の孔１６Ａおよび孔１５Ｃの形状および位置に対応する開口９９Ａがレジスト層９９に形成される。次に、図１１および図１２を参照して、開口９９Ａが形成されたレジスト層９９がマスクとして用いられて、たとえばドライエッチングが実施されることにより、ｐ型表面電極１６および第２ｐ型半導体層９２を貫通し、ｐ型半導体層９１の厚み方向の中央にまで至る空気孔が形成される。これにより、ｐ型表面電極１６に孔１６Ａが形成されるとともに、フォトニック結晶層１５に孔１５Ｃが形成される。すなわち、ｐ型半導体層９１のうち、厚み方向において、空気孔が形成された領域がフォトニック結晶層１５となり、空気孔が形成されなかった領域がｐ−クラッド層１４となる。その後、レジスト層９９が除去されることにより、図１に示す本実施の形態における面発光レーザ１が完成する。

以上のように工程（Ｓ１０）〜（Ｓ７０）が実施されることにより、煩雑な融着法や再成長エピ法などを用いることなく、本実施の形態における面発光レーザ１を容易に製造することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図１３は、実施の形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子である面発光レーザの構成を示す概略断面図である。また、図１４は、図１３の面発光レーザ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。

図１３および図１４ならびに図１および図２を参照して、実施の形態２における面発光レーザ１は、基本的には上述の実施の形態１における面発光レーザ１と同様の構成を有し、同様に動作するとともに、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の面発光レーザ１は、フォトニック結晶層の構成において、実施の形態１の場合とは異なっている。

すなわち、図１３および図１４を参照して、実施の形態２の面発光レーザ１におけるフォトニック結晶層１５の孔１５Ｃは、誘電体からなる誘電体柱１５Ｅ（誘電体層）により充填されている。これにより、実施の形態２における面発光レーザ１においては、フォトニック結晶層１５の孔１５Ｃの内部における誘電率を空気とは異なる種々の値に調整することにより、孔１５Ｃの内部における屈折率を制御することが可能となっている。なお、誘電体柱１５Ｅを構成する誘電体としては、たとえばＳｉＯ_２（二酸化珪素）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム；アルミナ）、ＴｉＯ_２（酸化チタン；チタニア）などを採用することができる。

つまり、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層１５は、低屈折率部分と、低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有している。そして、高屈折率部分は半導体からなるベース層１５Ｄであり、低屈折率部分はベース層１５Ｄに形成された孔１５Ｃの内部に配置される誘電体柱１５Ｅである。なお、本実施の形態の変形例として、誘電体からなる誘電体柱１５Ｅに代えて、導電性を有し、ベース層１５Ｄとは光の屈折率が異なる透明材料、たとえば透明酸化物であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ；酸化インジウムスズ）などからなる導電性透明体柱を採用してもよい。すなわち、フォトニック結晶層１５の孔１５Ｃの内部には、ベース層１５Ｄとは光の屈折率が異なる透明体柱を配置することができる。

次に、実施の形態２における面発光レーザの製造方法について説明する。図１５は、実施の形態２における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図１６は、実施の形態２における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。実施の形態２における面発光レーザ１は、基本的には実施の形態１の面発光レーザと同様に製造することができるが、誘電体柱１５Ｅが形成される工程が追加される点において、実施の形態１とは異なっている。

すなわち、図１５を参照して、まず、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）が実施の形態１の場合と同様に実施される。その後、工程（Ｓ７０）においては、実施の形態１における工程（Ｓ７０）のうち、レジスト層９９を除去する直前のプロセスまでと同様に実施される。そして、レジスト層９９を除去することなく、工程（Ｓ８０）として凹部充填工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、図１６を参照して、レジスト層９９からなるマスクが形成された表面上に、たとえばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相堆積）法により、ＳｉＯ_２からなるＳｉＯ_２層９８が形成される。これにより、孔１５Ｃは、ＳｉＯ_２層９８により充填される。その後、レジスト層９９上のＳｉＯ_２層９８がレジスト層９９とともに除去されることにより（リフトオフ）、図１３に示す実施の形態２における面発光レーザ１が完成する。

実施の形態２における面発光レーザ１においては、フォトニック結晶層１５と活性層１３との距離が十分に離れているため、フォトニック結晶層１５を作り込む際に発生する応力と歪みが、活性層１３に対して及ぼす影響が小さくなっている。そのため、従来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１５Ｅを埋め込んだフォトニック結晶層１５を採用することが容易となっている。

（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。図１７は、実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子である面発光レーザの構成を示す概略断面図である。また、図１８は、図１７の面発光レーザにおけるｎ型裏面電極側の構成を示す概略平面図である。また、図１９は、図１７の面発光レーザにおけるｐ型表面電極側の構成を示す概略平面図である。

図１７〜図１９ならびに図１および図３を参照して、実施の形態３における面発光レーザ１は、基本的には上述の実施の形態１における面発光レーザ１と同様の構成を有し、同様に動作するとともに、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３の面発光レーザ１は、ｐ型表面電極１６およびｎ型裏面電極１７の構成において、実施の形態１の場合とは異なっている。

すなわち、図１７〜図１９を参照して、実施の形態３における面発光レーザ１のｐ型表面電極１６には、実施の形態１の場合とは異なり、ｐ型表面電極１６を厚み方向に貫通する孔１６Ａは形成されていない。そして、ｐ型表面電極１６は、フォトニック結晶層１５において孔１５Ｃが形成された領域全体を覆うように形成されている。すなわち、フォトニック結晶層１５に形成された孔１５Ｃは、ｐ型表面電極１６によって封止されている。

一方、ｎ型裏面電極１７には、貫通孔である窓部１７Ａが形成されている。そして、この窓部１７Ａから、ｎ−基板１１が露出している。この窓部１７Ａは、実施の形態３における面発光レーザ１の出射面として機能する。すなわち、面発光レーザ１においては、矢印αの向きに沿って、ｎ−基板１１の裏面側（ｎ型裏面電極１７が形成された側）から光が出射される。

次に、実施の形態３における面発光レーザの製造方法について説明する。図２０は、実施の形態３における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図２１〜図２４は、実施の形態３における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。実施の形態３における面発光レーザ１は、基本的には実施の形態１の面発光レーザと同様に製造することができるが、ｐ型表面電極１６およびｎ型裏面電極１７の形成プロセスにおいて、実施の形態１とは異なっている。

すなわち、図２０を参照して、まず、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ５０）が実施の形態１の場合と同様に実施される。その後、工程（Ｓ６０）として実施される電極形成工程では、図２１を参照して、第２ｐ型半導体層９２のうち、孔１５Ｃが形成される領域（図１７参照）上を覆うように、ｐ型表面電極１６の一部を構成する導電体層としての第１ｐ型表面電極１６Ｂが形成される。一方、ｎ−基板１１においてｎ−クラッド層１２が形成された側とは反対側の主表面上に、ｎ型裏面電極１７が形成される。このｎ型裏面電極１７には、平面的に見て孔１５Ｃが形成されるべき領域（図１７参照）に重なる領域に、窓部１７Ａが形成される。

次に、工程（Ｓ７０）では、図２２を参照して、第１ｐ型表面電極１６Ｂが形成された第２ｐ型半導体層９２上に、レジストが塗布されることによりレジスト層９９が形成される。その後、露光および現像が実施されることにより、所望の孔１５Ｃの形状および位置（図１７参照）に対応する開口９９Ａがレジスト層９９に形成される。さらに、図２３を参照して、開口９９Ａが形成されたレジスト層９９がマスクとして用いられて、たとえばドライエッチングが実施されることにより、第１ｐ型表面電極１６Ｂおよび第２ｐ型半導体層９２を貫通し、ｐ型半導体層９１の厚み方向の中央にまで至る空気孔が形成される。これにより、ｐ型半導体層９１のうち、厚み方向において、空気孔が形成された領域がフォトニック結晶層１５となり、空気孔が形成されなかった領域がｐ−クラッド層１４となる。その後、図２４を参照して、レジスト層９９が除去される。

次に、図２０を参照して、工程（Ｓ９０）として電極厚膜化工程が実施される。この工程（Ｓ９０）では、第１ｐ型表面電極１６Ｂ上に、ｐ型表面電極１６を構成する他の導電体層としての第２ｐ型表面電極１６Ｃが形成される。具体的には、図２４を参照して、工程（Ｓ６０）において形成され、工程（Ｓ７０）において貫通孔が形成された第１ｐ型表面電極１６Ｂ上に、たとえばめっき法を用いて他の導電体層としての第２ｐ型表面電極１６Ｃが形成される。ここで、この工程（Ｓ９０）では、図１７を参照して、めっき法を用いて第２ｐ型表面電極１６Ｃを横方向に成長させることによって、フォトニック結晶層１５に形成された孔１５Ｃの上部が、第２ｐ型表面電極１６Ｃにより閉じられる。以上の工程により、実施の形態３における面発光レーザ１を容易に製造することができる。

（実施の形態４）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態４について説明する。図２５は、実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子である面発光レーザの構成を示す概略断面図である。

図２５および図１７を参照して、実施の形態４における面発光レーザ１は、基本的には上述の実施の形態３における面発光レーザ１と同様の構成を有し、同様に動作するとともに、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態４の面発光レーザ１は、フォトニック結晶層の構成において、実施の形態３の場合とは異なっている。

すなわち、図２５を参照して、実施の形態４の面発光レーザ１におけるフォトニック結晶層１５の孔１５Ｃは、誘電体からなる誘電体柱１５Ｅ（誘電体層）により充填されている。これにより、実施の形態４における面発光レーザ１においては、フォトニック結晶層１５の孔１５Ｃの内部における誘電率を空気とは異なる種々の値に制御することが可能となっている。なお、誘電体柱１５Ｅを構成する誘電体としては、たとえばＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２などを採用することができる。また、本実施の形態の変形例として、誘電体からなる誘電体柱１５Ｅに代えて、導電性を有し、ベース層１５Ｄとは光の屈折率が異なる透明材料、たとえば透明酸化物であるＩＴＯなどからなる導電性透明体柱を採用してもよい。すなわち、フォトニック結晶層１５の孔１５Ｃの内部には、ベース層１５Ｄとは光の屈折率が異なる透明体柱を配置することができる。

次に、実施の形態４における面発光レーザの製造方法について説明する。図２６は、実施の形態４における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図２７および図２８は、実施の形態４における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。実施の形態４における面発光レーザ１は、基本的には実施の形態３の面発光レーザと同様に製造することができるが、誘電体柱１５Ｅが形成される工程が追加される点において、実施の形態３とは異なっている。

すなわち、図２６を参照して、まず、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）が実施の形態３の場合と同様に実施される。その後、工程（Ｓ７０）においては、実施の形態３における工程（Ｓ７０）のうちレジスト層９９を除去する直前のプロセスまでと同様のプロセスが実施される。そして、レジスト層９９を除去することなく、工程（Ｓ８０）として凹部充填工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、図２７を参照して、レジスト層９９からなるマスクが形成された表面上に、たとえばＣＶＤ法により、ＳｉＯ_２からなるＳｉＯ_２層９８が形成される。これにより、孔１５ＣがＳｉＯ_２層９８により充填される。その後、レジスト層９９上のＳｉＯ_２層９８がレジスト層９９とともに除去されることにより（リフトオフ）、図２８に示す構造を得ることができる。そして、工程（Ｓ９０）が実施の形態３の場合と同様に実施されることにより、実施の形態４における面発光レーザ１が完成する。

（実施の形態５）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態５について説明する。図２９は、実施の形態５におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子である面発光レーザの構成を示す概略断面図である。

図２９および図１７を参照して、実施の形態５における面発光レーザ１は、基本的には上述の実施の形態３における面発光レーザ１と同様の構成を有し、同様に動作するとともに、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態５の面発光レーザ１は、フォトニック結晶層およびｐ型表面電極の構成において、実施の形態３の場合とは異なっている。

すなわち、図２９を参照して、実施の形態５の面発光レーザ１におけるフォトニック結晶層１５の孔１５Ｃは、ｐ型表面電極１６を構成する導電体（たとえば金属）からなる導電体柱１５Ｆ（導電体層）により充填されている。つまり、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層１５は、低屈折率部分と、低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有している。そして、高屈折率部分は導電体柱１５Ｆを構成する金属からなり、低屈折率部分は半導体からなるフォトニック結晶層１５のベース層となっている。

次に、実施の形態５における面発光レーザの製造方法について説明する。図３０は、実施の形態５における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図３１〜図３３は、実施の形態５における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。実施の形態５における面発光レーザ１は、基本的には実施の形態３の面発光レーザと同様に製造することができるが、フォトニック結晶層およびｐ型表面電極を形成する工程において、実施の形態３とは異なっている。

すなわち、図３０を参照して、まず、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ５０）が実施の形態３の場合と同様に実施される。その後、工程（Ｓ６１）として、裏面電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ６１）では、実施の形態３における工程（Ｓ６０）のうち、ｎ型裏面電極１７を形成する工程が、実施の形態３の場合と同様に実施され、図３１に示す構造が得られる。

次に、工程（Ｓ７０）として凹部形成工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、図３２を参照して、開口９９Ａが形成されたレジスト層９９からなるマスクが形成される。その後、実施の形態３の場合と同様に、たとえばドライエッチングが実施され、孔１５Ｃが形成される。その後、図３３に示すように、レジスト層９９が除去される。

次に、工程（Ｓ１００）として、表面電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ１００）では、図２９を参照して、工程（Ｓ７０）において形成された孔１５Ｃの内部からベース層を構成するコンタクト層１５Ｂの上部表面上にまで延在するようにｐ型表面電極１６が形成される。これにより、工程（Ｓ７０）において形成された孔１５Ｃは、導電体柱１５Ｆにより充填される。以上の工程により、実施の形態５における面発光レーザ１を容易に製造することができる。

以下、本発明の実施例１について説明する。上記実施の形態３における面発光レーザ１と同様の構成を有するレーザ素子を作製し、動作状態を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。

まず、上記実施の形態３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−ＧａＳｂ基板（００１）面上に、厚み３μｍの格子整合ｎ−ＡｌＧａＡｓＳｂクラッド層、活性層、厚み１μｍの格子整合ｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂクラッド層、厚み１．１μｍのｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂ主層およびｐ−ＧａＳｂコンタクト層からなるフォトニック結晶層、矩形のｐ型表面電極が形成され、ｎ−ＧａＳｂ基板の反対側の主表面上に窓部を有するｎ型裏面電極を形成した面発光レーザを準備した。ここで、活性層は、アンドープＡｌＧａＳｂバリア層とアンドープＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層との繰り返し構造によるＭＱＷ（多重量子井戸）構造とした。バリア層の組成はＡｌ（０．３）Ｇａ（０．７）Ｓｂとし、井戸層の組成はＩｎ（０．４）Ｇａ（０．６）Ａｓ（０．１５）Ｓｂ（０．８５）とした。また、格子整合ｎ−クラッド層およびｐ−クラッド層の組成はＡｌ（０．９）Ｇａ（０．１）Ａｓ（０．０５）Ｓｂ（０．９５）とした。さらに、フォトニック結晶層は、空気孔である孔が三角格子状に配置されている構造を採用し、格子定数が０．７４μｍ、空気充填率１５％（空気孔の形状は底面の直径３００ｎｍの円柱形状で、深さ（高さ）１．１μｍとした。フォトニック結晶層において孔が形成されている領域の平面形状は、一辺３００μｍの正方形形状とした。製造プロセスは、上記実施の形態３の場合と同様とした。

次に、準備されたレーザ素子に対して適切な電流を流して裏面側から観察したところ、閾値電流密度２００Ａ／ｃｍ^２にて室温パルス発振が確認された。また、発振波長は２．５μｍの単一波長であった。この発振の様子を遠視野像（ＦＦＰ）で観察すると、基板面と垂直な方向に放射角１度でドーナツ状のパターンとなっており、シングルモードであることが分かった。

また、同様の構成において、フォトニック結晶層の孔をＳｉＯ_２で埋め込んだ構造（上記実施の形態４と同様の構造）のレーザ素子も準備し、同様の実験を実施したところ、同様の発振特性が得られた。

以下、本発明の実施例２について説明する。上記実施の形態５における面発光レーザ１と同様の構成を有するレーザ素子を作製し、動作状態を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。

まず、上記実施の形態５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−ＩｎＡｓ基板（００１）面上に、厚み３μｍの格子整合ｎ−ＡｌＡｓＳｂクラッド層、活性層、厚み１μｍの格子整合ｐ−ＡｌＡｓＳｂクラッド層、厚み１．１μｍのｐ−ＡｌＡｓＳｂ主層およびｐ−ＩｎＡｓコンタクト層からなるフォトニック結晶層、矩形のｐ型表面電極が形成され、ｎ−ＩｎＡｓ基板の反対側の主表面上に窓部を有するｎ型裏面電極を形成した面発光レーザを準備した。ここで、活性層は、アンドープＩｎＡｓバリア層とアンドープＩｎＡｓＳｂ井戸層との繰り返し構造によるＭＱＷ（多重量子井戸）構造とした。井戸層の組成はＩｎＡｓ（０．９）Ｓｂ（０．１）とした。また、格子整合ｎ−クラッド層およびｐ−クラッド層の組成はＡｌＡｓ（０．１５）Ｓｂ（０．８５）とした。さらに、フォトニック結晶層は、孔が三角格子状に配置されている構造を採用し、格子定数が１．３μｍ、空気充填率１５％（空気孔の形状は底面の直径５３０ｎｍの円柱形状で、深さ（高さ）１．１μｍとした。そして、この孔をｐ型表面電極を構成する金属で充填した。フォトニック結晶層において孔が形成されている領域の平面形状は、一辺４００μｍの正方形形状とした。製造プロセスは、上記実施の形態５の場合と同様とした。

次に、準備されたレーザ素子に対して適切な電流を流して裏面側から観察したところ、閾値電流密度４５０Ａ／ｃｍ^２にて室温パルス発振が確認された。また、発振波長は３．８μｍの単一波長であった。この発振の様子を遠視野像（ＦＦＰ）で観察すると、基板面と垂直な方向に放射角１度でドーナツ状のパターンとなっており、シングルモードであることが分かった。

以上の実施例における実験結果より、本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子は、製造プロセスを簡略化しつつ、室温において発振可能であることが確認された。

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。

本発明のフォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法は、製造プロセスを簡略化が求められるフォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法に、特に有利に適用される。

実施の形態１における面発光レーザの構成を示す概略断面図である。 図１の面発光レーザ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。 図１の面発光レーザが備えるｐ型表面電極の構成を示す概略平面図である。 三角格子における光の回折を説明するための図である。 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。 正方格子における光の回折を説明するための図である。 実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態２における面発光レーザの構成を示す概略断面図である。 図１３の面発光レーザ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。 実施の形態２における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態２における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態３における面発光レーザの構成を示す概略断面図である。 図１７の面発光レーザにおけるｎ型裏面電極側の構成を示す概略平面図である。 図１７の面発光レーザにおけるｐ型表面電極側の構成を示す概略平面図である。 実施の形態３における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態３における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態３における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態３における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態３における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態４における面発光レーザの構成を示す概略断面図である。 実施の形態４における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態４における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態４における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態５における面発光レーザの構成を示す概略断面図である。 実施の形態５における面発光レーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態５における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態５における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態５における面発光レーザの製造方法を説明するための概略断面図である。

符号の説明

１ 面発光レーザ、１１ ｎ−基板、１２ ｎ−クラッド層、１３ 活性層、１４ ｐ−クラッド層、１５ フォトニック結晶層、１５Ａ 主層、１５Ｂ コンタクト層、１５Ｃ 孔、１５Ｄ ベース層、１５Ｅ 誘電体柱、１５Ｆ 導電体柱、１６ ｐ型表面電極、１６Ａ 孔、１６Ｂ 第１ｐ型表面電極、１６Ｃ 第２ｐ型表面電極、１７ ｎ型裏面電極、１７Ａ 窓部、９１ ｐ型半導体層、９２ 第２ｐ型半導体層、９８ ＳｉＯ_２層、９９ レジスト層、９９Ａ 開口。

Claims (9)

1. 活性層と、
   前記活性層を挟むように配置された半導体層と、
   前記半導体層の表面上に形成され、前記活性層と独立した２次元回折格子と、
   前記２次元回折格子と接触するように形成された電極とを備える、フォトニック結晶面発光レーザ素子。
2. 前記活性層から出射される光の波長が１．５μｍ以上８μｍ以下の範囲内となっている、請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
3. 前記２次元回折格子は、低屈折率部分と、前記低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有し、
   前記高屈折率部分は半導体からなり、
   前記低屈折率部分は、前記高屈折率部分に形成された孔である、請求項１または２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
4. 前記２次元回折格子は、低屈折率部分と、前記低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有し、
   前記高屈折率部分は半導体からなり、
   前記低屈折率部分は、前記高屈折率部分に形成された孔の内部に配置される誘電体を含む、請求項１または２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
5. 前記２次元回折格子は、低屈折率部分と、前記低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有し、
   前記高屈折率部分は金属からなり、
   前記低屈折率部分は半導体からなる、請求項１または２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
6. 活性層を形成する工程と、
   前記活性層上に半導体層を形成する工程と、
   前記半導体層上に、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２次元回折格子に接触するように電極を形成する工程とを備える、フォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。
7. 前記２次元回折格子を形成する工程は、
   前記半導体層上に、前記２次元回折格子を構成するベース層を形成する工程と、
   前記ベース層に凹部を形成する工程とを含み、
   前記電極を形成する工程は、
   前記ベース層上に前記電極の一部を構成する導電体層を形成する工程と、
   前記導電体層上に、前記電極を構成する他の導電体層を形成する工程とを含み、
   前記凹部を形成する工程では、前記導電体層および前記ベース層がエッチングにより部分的に除去されることによって前記凹部が形成され、
   前記他の導電体層を形成する工程では、めっき法を用いて前記他の導電体層を横方向に成長させることによって、前記ベース層における前記凹部の上部を前記他の導電体により閉じる、請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。
8. 前記２次元回折格子を形成する工程は、
   前記半導体層上に、前記２次元回折格子を構成するベース層を形成する工程と、
   前記ベース層に凹部を形成する工程と、
   前記凹部の内部を充填する誘電体層を形成する工程とを含み、
   前記電極を形成する工程は、
   前記ベース層上に前記電極の一部を構成する導電体層を形成する工程と、
   前記導電体層上に、前記電極を構成する他の導電体層を形成する工程とを含み、
   前記凹部を形成する工程では、前記導電体層および前記ベース層がエッチングにより部分的に除去されることによって前記凹部が形成され、
   前記他の導電体層を形成する工程では、めっき法を用いて前記他の導電体層を横方向に成長させることによって、前記誘電体層が形成された前記ベース層における前記凹部の上部を前記他の導電体により閉じる、請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。
9. 前記２次元回折格子を形成する工程は、
   前記半導体層上に、前記２次元回折格子を構成するベース層を形成する工程と、
   前記ベース層に凹部を形成する工程とを含み、
   前記電極を形成する工程では、前記凹部の内部から前記ベース層の上部表面上にまで延在するように前記電極が形成される、請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。

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