JP2011108935A - Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、2次元フォトニック結晶を用いることで共振させて、面発光する2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that resonates and emits light by using a two-dimensional photonic crystal, and a manufacturing method thereof.
面発光レーザは、基板面から略垂直にレーザ光を射出することができる、複数のレーザ素子を2次元に集積すること(2次元アレイ化)ができる、および、各レーザ素子からコヒーレントな光を並列的に射出することができるなどの様々な特徴から、例えば、ストレージ分野、通信分野および情報処理分野などの各分野へ様々な応用が期待され、研究、開発が進んでいる。 A surface emitting laser can emit laser light substantially perpendicularly from a substrate surface, can integrate a plurality of laser elements in two dimensions (two-dimensional array), and can emit coherent light from each laser element. From various characteristics such as being able to inject in parallel, for example, various applications are expected in various fields such as storage, communication, and information processing, and research and development are progressing.
面発光レーザでは、キャリア注入によって光を発生する活性層を多層膜反射鏡(DBR)で上下に挟み込む構造が一般的な基本構造として採用されるが、この他、例えば、2次元フォトニック結晶を用いるものがある。ここで、フォトニック結晶は、一般的に光の波長と同程度もしくはより小さい周期的な屈折率分布を内部に備える光学素子である。フォトニック結晶には3次元的な屈折率分布を持つ3次元フォトニック結晶や、2次元的な屈折率分布を持つ2次元フォトニック結晶などがある。フォトニック結晶は、半導体において原子核の周期ポテンシャルによって電子(電子波)がブラック反射を受けてバンド構造が形成される現象と同様に、周期的な屈折率分布によって光波がブラッグ反射を受けて光に対するバンド構造(フォトニックバンド構造)が形成されるという特徴を有している。この特徴を利用して、フォトニック結晶によって、様々な光の制御が可能になると期待されている。 In a surface emitting laser, a structure in which an active layer that generates light by carrier injection is sandwiched vertically by a multilayer reflector (DBR) is adopted as a general basic structure. In addition, for example, a two-dimensional photonic crystal is used. There is something to use. Here, the photonic crystal is an optical element that generally has a periodic refractive index distribution that is approximately equal to or smaller than the wavelength of light. The photonic crystal includes a three-dimensional photonic crystal having a three-dimensional refractive index distribution and a two-dimensional photonic crystal having a two-dimensional refractive index distribution. Similar to the phenomenon in which electrons (electron waves) receive black reflections due to the periodic potential of nuclei in semiconductors and band structures are formed in photonic crystals, light waves are subjected to Bragg reflections due to periodic refractive index distribution. A band structure (photonic band structure) is formed. Utilizing this feature, it is expected that various kinds of light can be controlled by the photonic crystal.
例えば、2次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、2次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するものである。例えば、特許文献1には従来の2次元フォトニック結晶面発光レーザについて記載されている。図19は従来の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す斜視図である。具体的には、図19に示すように、この2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、概略、基板101上に下部クラッド層102、活性層103、上部クラッド層104が積層され、下部クラッド層102には活性層103の近傍に2次元フォトニック結晶120が内蔵されている。 For example, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser includes a photonic crystal periodic structure in which a refractive index period is two-dimensionally arranged in the vicinity of an active layer that emits light by carrier injection, and resonates with the photonic crystal. It emits surface light. For example, Patent Document 1 describes a conventional two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. FIG. 19 is a perspective view showing a configuration of a conventional two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. Specifically, as shown in FIG. 19, the two-dimensional photonic crystal surface-emitting laser 200 is roughly formed by laminating a lower cladding layer 102, an active layer 103, and an upper cladding layer 104 on a substrate 101, thereby forming a lower cladding layer. 102 includes a two-dimensional photonic crystal 120 in the vicinity of the active layer 103.
基板101は、例えば、n型InPの半導体材料からなる。下部クラッド層102および上部クラッド層104は、例えば、それぞれn型およびp型InPの半導体層であり、これらは、活性層103よりも屈折率が低い。2次元フォトニック結晶120は、下部クラッド層102に空孔(フォトニック結晶周期構造体121)を形成することで構成される。また、空孔内にはSiN等を充填してもよい。これにより、下部クラッド層102の2次元フォトニック結晶120は屈折率の異なる媒質が2次元の周期で配列された正方格子や三角格子からなっている。活性層103は、例えば、InGaAs/InGaAsP系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、キャリアの注入により発光する。2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、下部クラッド層102および上部クラッド層104により活性層103を挟んだダブルヘテロ接合を形成し、キャリアを閉じ込めて発光に寄与するキャリアを活性層103に集中させるようになっている。 The substrate 101 is made of, for example, an n-type InP semiconductor material. The lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 104 are, for example, n-type and p-type InP semiconductor layers, respectively, and these have a lower refractive index than the active layer 103. The two-dimensional photonic crystal 120 is configured by forming holes (photonic crystal periodic structure 121) in the lower clad layer 102. Further, SiN or the like may be filled in the holes. Thus, the two-dimensional photonic crystal 120 of the lower cladding layer 102 is composed of a square lattice or a triangular lattice in which media having different refractive indexes are arranged in a two-dimensional period. The active layer 103 has a multiple quantum well structure using, for example, an InGaAs / InGaAsP-based semiconductor material, and emits light when carriers are injected. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 200 forms a double heterojunction with an active layer 103 sandwiched between a lower clad layer 102 and an upper clad layer 104 to confine carriers and concentrate carriers contributing to light emission in the active layer 103. It is like that.
基板101の底面および上部クラッド層104の上面には金等からなる下部電極106および上部電極107が形成されている。これら下部電極106および上部電極107に電圧を印加することにより活性層103が発光し、活性層103から漏れた光が2次元フォトニック結晶120に入射する。2次元フォトニック結晶120の格子間隔に波長が一致する光は、2次元フォトニック結晶120により共振して増幅される。これにより、上部クラッド層104の上面(電極107の周囲に位置する発光領域108)からコヒーレントな光が面発光される。 A lower electrode 106 and an upper electrode 107 made of gold or the like are formed on the bottom surface of the substrate 101 and the upper surface of the upper cladding layer 104. By applying a voltage to the lower electrode 106 and the upper electrode 107, the active layer 103 emits light, and light leaking from the active layer 103 enters the two-dimensional photonic crystal 120. Light whose wavelength matches the lattice spacing of the two-dimensional photonic crystal 120 is amplified by resonance by the two-dimensional photonic crystal 120. As a result, coherent light is surface-emitted from the upper surface of the upper cladding layer 104 (the light emitting region 108 located around the electrode 107).
ここで、図20に示すような正方格子からなる2次元フォトニック結晶120の共振作用について説明する。図20は2次元フォトニック結晶面発光レーザの共振作用を示す説明図である。2次元フォトニック結晶120は、下部クラッド層102内に空孔121が形成されることで構成されている。空孔121が直交する2方向に同じ周期で形成されていて正方格子が構成されている。正方格子はΓ−X方向とΓ−M方向の代表的な方向を有している。Γ−X方向に隣接する空孔121の間隔をaとすると、空孔121を格子点とした一辺がaの正方形からなる基本格子Eが形成されている。ここで、波長λが基本格子Eの格子間隔aに一致する光LがΓ−X方向に進行すると、光Lは格子点でブラッグ回折される。このうち、光Lの進行方向に対して0°、±90°、180°の方向に回折された光のみが2次のブラッグ回折条件を満たす。さらに、0°、±90°、180°の方向に回折された光の進行方向にも格子点が存在するため、回折光は再度進行方向に対して0°、±90°、180°方向に回折する。光Lが1回または複数回のブラッグ回折を繰り返すと、回折光が元の格子点に戻るため共振作用が生じる。また、紙面に垂直な方向に回折された光も1次のブラッグ回折条件を満たす。このため、共振によって増幅された光が上部クラッド層104を介して出射され、面発光機能を有することになる。また、全ての格子点でこの現象が生じるため、面内全域でコヒーレントなレーザ発振が可能である。 Here, the resonance action of the two-dimensional photonic crystal 120 composed of a square lattice as shown in FIG. 20 will be described. FIG. 20 is an explanatory diagram showing the resonance action of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. The two-dimensional photonic crystal 120 is configured by forming holes 121 in the lower cladding layer 102. The holes 121 are formed in two directions orthogonal to each other at the same period, thereby forming a square lattice. The square lattice has typical directions of the Γ-X direction and the Γ-M direction. If the interval between the holes 121 adjacent to each other in the Γ-X direction is a, a basic lattice E having a square with one side having the hole 121 as a lattice point is formed. Here, when the light L whose wavelength λ coincides with the lattice interval a of the basic grating E travels in the Γ-X direction, the light L is Bragg diffracted at the lattice point. Of these, only the light diffracted in the directions of 0 °, ± 90 °, and 180 ° with respect to the traveling direction of the light L satisfies the second-order Bragg diffraction condition. Furthermore, since there are also lattice points in the traveling direction of the light diffracted in the directions of 0 °, ± 90 °, and 180 °, the diffracted light is again in the directions of 0 °, ± 90 °, and 180 ° with respect to the traveling direction. Diffraction. When the light L repeats Bragg diffraction once or a plurality of times, the diffracted light returns to the original lattice point, thereby causing a resonance action. The light diffracted in the direction perpendicular to the paper also satisfies the first order Bragg diffraction condition. For this reason, the light amplified by resonance is emitted through the upper clad layer 104 and has a surface emitting function. In addition, since this phenomenon occurs at all lattice points, coherent laser oscillation is possible over the entire surface.
しかしながら、特許文献1では、下部クラッド層102において、下部クラッド層102の空孔(フォトニック結晶周期構造体121)を除く部分の媒質が連続しているので、電流注入が不要な領域にも電流が拡がる。電流注入が不要な領域に電流が流れないようにするには、2次元フォトニック結晶面発光レーザに電流狭窄構造(例えば、酸化狭窄構造、プロトン注入構造や埋め込み再成長を用いた構造など)を別途設ける必要がある。このような電流狭窄構造を別途設けることで、2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する上で、製造工程が増加してしまう。 However, in Patent Document 1, in the lower clad layer 102, the medium in a portion of the lower clad layer 102 excluding the vacancies (photonic crystal periodic structure 121) is continuous. Will spread. In order to prevent current from flowing in a region where current injection is not required, a current confinement structure (for example, an oxide confinement structure, a proton injection structure, or a structure using buried regrowth) is provided in a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. It is necessary to provide it separately. Providing such a current confinement structure separately increases the number of manufacturing steps when manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、電流狭窄構造を別途設けることなく、容易に作製できる、2次元フォトニック結晶面発光レーザ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 in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can be easily manufactured without separately providing a current confinement structure and a method for manufacturing the same. That is.
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。 As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below.
すなわち、本発明の一態様に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザは、第1および第2半導体層と、前記第1半導体層と、前記第2半導体層とに挟まれ、キャリア注入によって、光を発生する活性層とを備え、前記第1半導体層は、前記活性層側とは反対側に複数の凸部を有し、前記複数の凸部のうちの全部または一部によって2次元フォトニック結晶構造を形成する。 That is, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to one embodiment of the present invention is sandwiched between the first and second semiconductor layers, the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer, and receives light by carrier injection. The first semiconductor layer has a plurality of convex portions on a side opposite to the active layer side, and a two-dimensional photonic is formed by all or a part of the plurality of convex portions. A crystal structure is formed.
これにより、凸部と凸部の間が凹部により電気的に絶縁されるため、複数の凸部のうちの全部または一部は、2次元フォトニック結晶として機能するだけでなく、電流狭窄構造として機能する。よって、電流狭窄構造を別途設けることなく、容易に作製できる、2次元フォトニック結晶面発光レーザを実現できる。 As a result, the convex portion and the convex portion are electrically insulated by the concave portion, so that all or a part of the plural convex portions not only function as a two-dimensional photonic crystal but also as a current confinement structure. Function. Therefore, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can be easily manufactured without separately providing a current confinement structure can be realized.
また、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第1半導体層における前記活性層側の反対側に設けた第1電極と、前記第2半導体層における前記活性層側に設けた第2電極とをさらに備え、前記第1半導体層は、第1クラッド層を有し、前記第2半導体層は、第2クラッド層を有し、前記凸部の径は深さ方向に沿って徐々に変化し、前記活性層側とは反対側で、前記凸部以外の前記第1半導体層には、前記凸部を形成する材料の第1屈折率とは異なる第2屈折率の埋め込み材料が埋め込まれている。 In the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the first electrode provided on the opposite side of the first semiconductor layer to the active layer side and the second electrode provided on the active layer side of the second semiconductor layer. An electrode, wherein the first semiconductor layer has a first cladding layer, the second semiconductor layer has a second cladding layer, and the diameter of the convex portion gradually increases along the depth direction. An embedding material having a second refractive index different from the first refractive index of the material forming the convex portion is embedded in the first semiconductor layer other than the convex portion on the side opposite to the active layer side. It is.
このように、凸部の径を深さ方向に沿って徐々に変化させた構造であることから、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、光閉じ込め効果の向上および凸部形成を容易に行うことができる。それにより、低閾値化、高効率化、短波長化等を容易に行うことができる。また、第1半導体層の凸部以外の部分に埋め込み材料が埋め込まれていることから、第1半導体層の上面が平坦化されているため、第1半導体層上に容易に電極を形成することができる。また、第1半導体層の凸部以外の部分に埋め込み材料が埋め込まれていることから、第1クラッド層における凸部が大気に露呈されることはない。それにより、第1クラッド層は酸化されにくく、2次元フォトニック結晶面発光レーザの劣化を防ぐことができる。 Thus, since the diameter of the convex portion is gradually changed along the depth direction, the value of the coupling coefficient κ of the two-dimensional photonic crystal is increased, the light confinement effect is improved, and the convexity is increased. Part formation can be performed easily. Thereby, it is possible to easily reduce the threshold, increase the efficiency, shorten the wavelength, and the like. In addition, since the embedding material is embedded in a portion other than the convex portion of the first semiconductor layer, the upper surface of the first semiconductor layer is flattened, so that an electrode can be easily formed on the first semiconductor layer. Can do. Further, since the embedding material is embedded in the portion other than the convex portion of the first semiconductor layer, the convex portion in the first cladding layer is not exposed to the atmosphere. Thereby, the first cladding layer is not easily oxidized, and deterioration of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be prevented.
また、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第1クラッド層の屈折率は、前記第2クラッド層の屈折率よりも高いことが好ましい。 In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the refractive index of the first cladding layer is preferably higher than the refractive index of the second cladding layer.
このように、第1クラッド層の屈折率を高くすることで、2次元フォトニック結晶構造が形成されたとしても、第1クラッド層の平均屈折率が低下しすぎることがない。それにより、フォトニック結晶層に分布する光の割合の減少を防ぐことから結合係数の低下を防ぐことができる。 Thus, even if a two-dimensional photonic crystal structure is formed by increasing the refractive index of the first cladding layer, the average refractive index of the first cladding layer does not decrease too much. As a result, a decrease in the ratio of light distributed in the photonic crystal layer can be prevented, so that a reduction in coupling coefficient can be prevented.
また、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第1クラッド層の厚さは、0.3μm〜1.0μmであることが好ましい。 In the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the thickness of the first cladding layer is preferably 0.3 μm to 1.0 μm.
これにより、第1クラッド層の厚さが厚すぎないので、アスペクト比が小さいフォトニック結晶構造を有することとなる。そのため、第1クラッド層に形成する凸部の加工が容易である。例えば、エッチング加工をする場合に、エッチング加工の難度が低い。 Thereby, since the thickness of the first cladding layer is not too thick, it has a photonic crystal structure with a small aspect ratio. Therefore, it is easy to process the convex portion formed in the first cladding layer. For example, when etching is performed, the difficulty of etching is low.
また、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第1半導体層の前記活性層側とは反対側の主面における半導体が占める面積の割合を表面側FFとし、前記第1半導体層において、前記凸部以外の部分の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側FFとし、前記表面側FFと前記活性層側FFとは異なる値であることが好ましい。 Further, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the ratio of the area occupied by the semiconductor on the main surface of the first semiconductor layer opposite to the active layer side is defined as a surface side FF, and in the first semiconductor layer, When the plane including the bottom surface of the portion other than the convex portion is hypothesized, the ratio of the area occupied by the semiconductor in the hypothetical plane is the active layer side FF, and the surface side FF and the active layer side FF are different values. It is preferable that
これにより、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、第1クラッド層による光閉じ込め効果を向上させることが可能である。また、凸部の加工が容易である。 Thereby, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the value of the coupling coefficient κ of the two-dimensional photonic crystal can be increased, and the light confinement effect by the first cladding layer can be improved. Moreover, the processing of the convex portion is easy.
また、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記活性層側FFは、前記表面側FFよりも大きいことが好ましい。 In the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the active layer side FF is preferably larger than the surface side FF.
これにより、第1半導体層におけるフォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、活性層側に近づくほど凸部が太くなるテーパ形状を有する。そのため、活性層側に近づくほど凸部が細くなるテーパ形状に比べて、容易に作製することができる。 Thereby, in the cross-sectional shape by the surface along the photonic crystal structure lamination direction in the 1st semiconductor layer, it has a taper shape where a convex part becomes thick, so that it approaches the active layer side. Therefore, it can be easily manufactured as compared with the tapered shape in which the convex portion becomes thinner as it approaches the active layer side.
また、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記表面側FFは0.8以下であって、前記活性層側FFは0.8以上であることが好ましい。 In the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, it is preferable that the surface-side FF is 0.8 or less and the active layer-side FF is 0.8 or more.
これにより、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、2次元フォトニック結晶における高い結合係数κ、かつ、第1クラッド層による光閉じ込め効果を向上させることが可能である。また、凸部の加工が容易である。 Thereby, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, it is possible to improve the high coupling coefficient κ in the two-dimensional photonic crystal and the light confinement effect by the first cladding layer. Moreover, the processing of the convex portion is easy.
また、本発明の他の一態様に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、第2半導体層上に活性層を積層し、前記活性層上に、第1半導体層を積層した後に、前記第1半導体層において、複数の凸部のうちの全部または一部によって2次元フォトニック結晶構造を形成するべく、前記活性層側とは反対側に前記複数の凸部を形成する。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, comprising: laminating an active layer on a second semiconductor layer; and laminating the first semiconductor layer on the active layer. In the first semiconductor layer, the plurality of protrusions are formed on the side opposite to the active layer side in order to form a two-dimensional photonic crystal structure by all or a part of the plurality of protrusions.
これにより、電流狭窄構造を別途設けることなく、2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造できるので、製造工程の増加を防止することができる。 Thereby, since a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured without separately providing a current confinement structure, an increase in manufacturing steps can be prevented.
本発明によれば、電流狭窄構造を別途設けることなく、容易に作製できる2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can be easily manufactured without providing a current confinement structure and a manufacturing method thereof.
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。図1において、実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、基板1と、基板1の一方の主面上に形成された第2半導体層である第2クラッド層2と、第2クラッド層2上に形成された活性層3と、活性層3上に形成されるキャリアストップ層4と、キャリアストップ層4上に形成された第1クラッド層5と、第1クラッド層5上に形成されたコンタクト層6と、コンタクト層6上に形成された絶縁層14と、絶縁層14を貫通し、コンタクト層6とオーミック接触する円環状(リング状、ドーナツ状)の第1電極7と、基板1における前記一方の主面に対向する他方の主面上の全面に形成された第2電極8とを備えて構成される。なお、絶縁層14上において第1電極7が形成されていない箇所は光が発光される発光面9である。また、第1クラッド層5およびコンタクト層6には第1電極7側(活性層3と反対側)から加工がなされることで形成された凸部10aの間の凹部に埋め込み材料10が埋め込まれている。第1クラッド層5およびコンタクト層6には、複数の凸部10aが周期的に配置されるように形成されている。それにより、コンタクト層6、第1クラッド層5およびキャリアストップ層4からなる第1半導体層は、2次元フォトニック結晶構造を有する。なお、第1電極7側から加工がなされるので、凸部10aは、コンタクト層6において第1電極7と接する側の表面には少なくとも形成されている。このフォトニック結晶構造は、活性層3でレーザ発振する光の波長を選択する。なお、前記凹部の径は深さ方向に沿って徐々に変化している。したがって、凸部10aの径は深さ方向に沿って徐々に変化している。具体的には、積層方向に沿った面による断面形状において、凸部10aおよび凸部10a以外の埋め込み材料10はいわゆるテーパ形状を有する。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 according to an embodiment includes a substrate 1, a second cladding layer 2 that is a second semiconductor layer formed on one main surface of the substrate 1, The active layer 3 formed on the two cladding layers 2, the carrier stop layer 4 formed on the active layer 3, the first cladding layer 5 formed on the carrier stop layer 4, and the first cladding layer 5 A contact layer 6 formed on the contact layer 6, an insulating layer 14 formed on the contact layer 6, and an annular (ring-shaped, donut-shaped) first electrode 7 penetrating the insulating layer 14 and in ohmic contact with the contact layer 6. And the second electrode 8 formed on the entire surface on the other main surface of the substrate 1 opposite to the one main surface. Note that a portion where the first electrode 7 is not formed on the insulating layer 14 is a light emitting surface 9 from which light is emitted. In addition, the first cladding layer 5 and the contact layer 6 are embedded with the embedding material 10 in the concave portions between the convex portions 10a formed by processing from the first electrode 7 side (the side opposite to the active layer 3). ing. The first cladding layer 5 and the contact layer 6 are formed such that a plurality of convex portions 10a are periodically arranged. Thereby, the first semiconductor layer composed of the contact layer 6, the first cladding layer 5, and the carrier stop layer 4 has a two-dimensional photonic crystal structure. Since the processing is performed from the first electrode 7 side, the convex portion 10 a is formed at least on the surface of the contact layer 6 on the side in contact with the first electrode 7. This photonic crystal structure selects the wavelength of light that oscillates in the active layer 3. Note that the diameter of the concave portion gradually changes along the depth direction. Therefore, the diameter of the convex portion 10a gradually changes along the depth direction. Specifically, in the cross-sectional shape by the surface along the lamination direction, the embedding material 10 other than the convex portion 10a and the convex portion 10a has a so-called tapered shape.
基板1は例えばn型のGaAs基板である。第2クラッド層2は、例えば電子をキャリアとするn型の半導体層であり、例えば、n型Al0.4Ga0.6Asで形成されている。キャリアストップ層4は、例えばホール(正孔)をキャリアとするp型の半導体層であり、例えば、p型Al0.6Ga0.4Asで形成されている。また、第1クラッド層5も、例えばホール(正孔)をキャリアとするp型の半導体層であり、例えば、p型AlxGa(1−x)Asで形成されている。また、コンタクト層6も、例えばホール(正孔)をキャリアとするp型の半導体層であり、例えば、p+型GaAsで形成されている。なお、第1半導体層および第2半導体層における各層の導電型は上述のものに限られるわけではない。例えば、埋め込みトンネル接合(BTJ:Buried Tunnel Junction)型のように、活性層の上層に、異なる導電型であるp型およびn型の半導体層を有する構造でもよい。 The substrate 1 is, for example, an n-type GaAs substrate. The second cladding layer 2 is, for example, an n-type semiconductor layer using electrons as carriers, and is formed of, for example, n-type Al 0.4 Ga 0.6 As. The carrier stop layer 4 is a p-type semiconductor layer having holes (holes) as carriers, and is formed of, for example, p-type Al 0.6 Ga 0.4 As. The first cladding layer 5 is also a p-type semiconductor layer using, for example, holes (carriers) as carriers, and is formed of, for example, p-type Al x Ga (1-x) As. The contact layer 6 is also a p-type semiconductor layer using, for example, holes (holes) as carriers, and is made of, for example, p + -type GaAs. The conductivity type of each layer in the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is not limited to the above. For example, a structure having p-type and n-type semiconductor layers having different conductivity types in the upper layer of the active layer, such as a buried tunnel junction (BTJ) type, may be used.
活性層3は、上述のように、第2クラッド層2(第2半導体層)と、コンタクト層6、第1クラッド層5およびキャリアストップ層4からなる第1半導体層とに挟まれており、キャリア注入によって光を発生(発光)する。なお、活性層3と第1クラッド層5との間にはキャリアストップ層4が設けられている。活性層3は、公知の一般的な材料および構造を採用することができ、使用用途に応じた波長を発光するように材料や構造などが選択される。活性層3は、例えば、3周期のInGaAs井戸層、GaAs障壁層および分離閉じ込め層(SCH(Separate Confinement Heterostructure)層)により構成されている歪み量子井戸構造とすればよい。 As described above, the active layer 3 is sandwiched between the second cladding layer 2 (second semiconductor layer) and the first semiconductor layer including the contact layer 6, the first cladding layer 5, and the carrier stop layer 4, Light is generated (emitted) by carrier injection. A carrier stop layer 4 is provided between the active layer 3 and the first cladding layer 5. The active layer 3 can employ known general materials and structures, and the materials, structures, and the like are selected so as to emit light having a wavelength corresponding to the intended use. The active layer 3 may have a strained quantum well structure including, for example, a three-period InGaAs well layer, a GaAs barrier layer, and a separate confinement layer (SCH (Separate Confinement Heterostructure) layer).
第1および第2クラッド層5、2は、活性層3の屈折率よりも低い屈折率の材料で形成され、下部および上部クラッド層の機能を兼ね備えている。また、第1クラッド層5の屈折率は、第2クラッド層2の屈折率よりも高いことが好ましい。このように、第1クラッド層5の屈折率を高くすることで、2次元フォトニック結晶構造が形成されたとしても、第1クラッド層5の平均屈折率が低下しすぎることがない。それにより、フォトニック結晶構造が形成された層に分布する光の割合の減少を防ぐことから結合係数κの低下を防ぐことができる。 The first and second cladding layers 5 and 2 are formed of a material having a refractive index lower than that of the active layer 3 and have the functions of the lower and upper cladding layers. The refractive index of the first cladding layer 5 is preferably higher than the refractive index of the second cladding layer 2. Thus, even if a two-dimensional photonic crystal structure is formed by increasing the refractive index of the first cladding layer 5, the average refractive index of the first cladding layer 5 does not decrease too much. This prevents a decrease in the ratio of light distributed in the layer in which the photonic crystal structure is formed, thereby preventing a decrease in the coupling coefficient κ.
そして、活性層3を挟んでダブルへテロ接合を形成し、キャリアを閉じ込めて、発光に寄与するキャリアを活性層3に集中させている。コンタクト層6は、第1電極7と第1クラッド層5との間に設けられ、これらを電気的に接続させている。キャリアストップ層4は、キャリアオーバーフローによって活性層3から第1クラッド層5へ向かう電子に対する電位障壁として機能する。なお、第1クラッド層5と活性層3との間にはキャリアストップ層4が設けられていなくてもよい。また、第1クラッド層5と活性層3との間に他の層が介在していてもよい。 Then, a double heterojunction is formed across the active layer 3, carriers are confined, and carriers contributing to light emission are concentrated in the active layer 3. The contact layer 6 is provided between the first electrode 7 and the first cladding layer 5 and electrically connects them. The carrier stop layer 4 functions as a potential barrier against electrons traveling from the active layer 3 to the first cladding layer 5 due to carrier overflow. Note that the carrier stop layer 4 may not be provided between the first cladding layer 5 and the active layer 3. Further, another layer may be interposed between the first cladding layer 5 and the active layer 3.
第1および第2電極7および8は、例えばITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウムスズ)電極や金系電極などから構成され、第1および第2電極7および8間に電圧を印加することによって活性層3にキャリアが注入され、所定値以上の電圧値で活性層3が発光するようになっている。なお、第1および第2電極7および8は、導電性を有するだけでなく、発光面側においては、この2次元フォトニック結晶面発光レーザ100が発光するレーザ光の波長に対して透明で、かつ導電性を有する材料を用いた透明電極であることが好ましい。したがって、例えばITO電極とすることが好ましい。なお、発光面9側に設置された第1電極7は、開口を形成し、第2電極8は、基板1全面に形成されている。このような構成とすることで、第1電極7が形成された側の面から選択的にレーザ光が射出される。なお、第1電極7の一部または全部を透明電極とし、開口を形成せずに、発光面9の全面に第1電極7が形成された構成としもよい。これにより、透明電極を介して、レーザ光が射出される。 The first and second electrodes 7 and 8 are composed of, for example, an ITO (Indium Tin Oxide) electrode or a gold-based electrode, and are activated by applying a voltage between the first and second electrodes 7 and 8. Carriers are injected into the layer 3, and the active layer 3 emits light at a voltage value equal to or higher than a predetermined value. The first and second electrodes 7 and 8 not only have conductivity, but are transparent on the light emitting surface side with respect to the wavelength of the laser light emitted by the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100. In addition, a transparent electrode using a conductive material is preferable. Therefore, for example, an ITO electrode is preferable. The first electrode 7 provided on the light emitting surface 9 side forms an opening, and the second electrode 8 is formed on the entire surface of the substrate 1. With such a configuration, laser light is selectively emitted from the surface on which the first electrode 7 is formed. Note that a part or all of the first electrode 7 may be a transparent electrode, and the first electrode 7 may be formed on the entire surface of the light emitting surface 9 without forming an opening. Thereby, a laser beam is emitted through the transparent electrode.
第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された2次元フォトニック結晶構造において、2次元の周期的な屈折率分布は、埋め込み材料10の屈折率とは異なる屈折率の凸部10aが格子点として互いに異なる2方向(線形独立な2方向)に所定の周期(格子間隔、格子定数)で配列されることによって形成されている。格子点は、本実施の形態では、例えば、第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された錐状の凸部10aから構成される。なお、凸部10aはコンタクト層6および第1クラッド層5だけでなく、キャリアストップ層4まで到達していてもよいが、活性層3には到達しないことが好ましい。凸部10aが活性層3に到達、すなわちフォトニック結晶と活性層3とが近接すると、エッチング時に活性層3へのダメージが生じる可能性がある。 In the two-dimensional photonic crystal structure formed in the first cladding layer 5 and the contact layer 6, the two-dimensional periodic refractive index distribution has a convex portion 10 a having a refractive index different from the refractive index of the embedding material 10. Are arranged in two different directions (two linearly independent directions) with a predetermined period (lattice interval, lattice constant). In the present embodiment, the lattice points are constituted by, for example, conical convex portions 10 a formed in the first cladding layer 5 and the contact layer 6. The protrusion 10 a may reach not only the contact layer 6 and the first cladding layer 5 but also the carrier stop layer 4, but preferably does not reach the active layer 3. When the convex portion 10a reaches the active layer 3, that is, when the photonic crystal and the active layer 3 are close to each other, damage to the active layer 3 may occur during etching.
そして、従来の2次元フォトニック結晶構造とは異なり、本実施の形態では、半導体である凸部10aを周期的に配列させることで光閉じ込めを実現している。本実施の形態では、2次元フォトニック結晶構造が、電流が不要な領域に流れることを抑える電球狭窄構造として機能する。したがって、本実施の形態によれば、電流狭窄構造を別途設けることなく、2次元フォトニック結晶の製造が容易である。さらに、本実施の形態によれば、電流狭窄効果が得られることによって、活性層3へ効率よく電流を注入することができる。 And unlike the conventional two-dimensional photonic crystal structure, in this Embodiment, the optical confinement is implement | achieved by arrange | positioning the convex part 10a which is a semiconductor periodically. In the present embodiment, the two-dimensional photonic crystal structure functions as a light bulb constriction structure that suppresses a current from flowing into a region where it is not necessary. Therefore, according to the present embodiment, it is easy to manufacture a two-dimensional photonic crystal without separately providing a current confinement structure. Furthermore, according to the present embodiment, current can be efficiently injected into the active layer 3 by obtaining a current confinement effect.
なお、凸部10aは、本実施の形態では、例えば、第1クラッド層5をエッチングによって加工することにより形成されることから、第1クラッド層5の第1半導体層で構成されている。また、埋め込み材料10としては、活性層3からの光を透過する必要があることから、透明絶縁材料を用いる。例えば、埋め込み材料10は、SiO2、SiN、SOG(spin on glass)、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)などのような、レーザの発振波長で透明でかつ電気的絶縁性のある材料で、電極形成の際の電極合金化工程の加熱に耐えうる耐熱性のある材料とすればよい。また、コンタクト層6上に形成される絶縁層14は発光面9を形成し、埋め込み材料10と同様に活性層3からの光を透過する必要があることから、埋め込み材料10に用いた材料とすればよい。なお、埋め込み材料10と絶縁層14とは同一の材料としてもよいし、異なる材料としてもよい。本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100において、凸部10aの間の凹部に埋め込み材料10が埋め込まれていることから、コンタクト層6の第1電極7側表面は平坦化されている。そのため、第1電極7の形成が容易である。また、コンタクト層6および第1クラッド層5には埋め込み材料10が埋め込まれていることから、これらが露呈されることはない。つまり、コンタクト層6および第1クラッド層5は空気にさらされることがないので、酸化による素子劣化を防ぐことができる。このように、埋め込み材料10が絶縁材料であることから、埋め込み材料10は注入された電流を狭窄することができるので、レーザの発光効率を向上させることができる。 In the present embodiment, the convex portion 10a is formed, for example, by processing the first cladding layer 5 by etching, and thus is constituted by the first semiconductor layer of the first cladding layer 5. Further, as the embedding material 10, a transparent insulating material is used because it is necessary to transmit light from the active layer 3. For example, the embedding material 10 is a material that is transparent and electrically insulative at the laser oscillation wavelength, such as SiO 2 , SiN, SOG (spin on glass), polyimide, BCB (benzocyclobutene), etc. What is necessary is just to use the heat resistant material which can endure the heating of the electrode alloying process in the case of formation. Further, since the insulating layer 14 formed on the contact layer 6 forms the light emitting surface 9 and needs to transmit light from the active layer 3 in the same manner as the embedded material 10, the material used for the embedded material 10 and do it. The embedding material 10 and the insulating layer 14 may be the same material or different materials. In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 according to the present embodiment, since the embedding material 10 is embedded in the concave portions between the convex portions 10a, the surface on the first electrode 7 side of the contact layer 6 is planarized. ing. Therefore, it is easy to form the first electrode 7. Moreover, since the filling material 10 is embedded in the contact layer 6 and the first cladding layer 5, they are not exposed. That is, since the contact layer 6 and the first cladding layer 5 are not exposed to air, element deterioration due to oxidation can be prevented. Thus, since the embedding material 10 is an insulating material, the embedding material 10 can confine the injected current, so that the light emission efficiency of the laser can be improved.
ここで、コンタクト層6の上面における半導体および埋め込み材料10において、半導体の占める面積の割合を表面側FFとし、第1クラッド層5内において、埋め込み材料10の底面を含む平面による断面を仮想した場合に、この断面における半導体および埋め込み材料10において、半導体の占める面積の割合を活性層側FFとする。上述のように、埋め込み材料10の断面はテーパ形状であるため、表面側FFと活性層側FFは異なる値となる。そして、このように、埋め込み材料10の断面形状がテーパ状であることから、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値が高く、かつ、光閉じ込め効果が高くすることが容易である。そして、凸部10aの形成が容易となる。例えば、凸部10aはエッチングにより形成されるが、その形成難度を低下させることができる。また、活性層側FFは、表面側FFよりも大きいことが好ましい。すなわち、埋め込み材料10は活性層3に近づくほど細くなるテーパ形状を有することが好ましい。活性層3に近づくほど太くなるテーパ形状を有する凸部10aは、活性層3に近づくほど細くなるテーパ形状である凸部10aに比べて、容易に作製することができるため、容易に凸部10aを作製できる。また、表面側FFは0.8以下であって、活性層側FFは0.8以上であることが好ましい。これにより、2次元フォトニック結晶における高い結合係数κおよび第1クラッド層5による高い光閉じ込め効果を得ることができる。そして、2次元フォトニック結晶の製造が容易である。 Here, in the semiconductor and the embedded material 10 on the upper surface of the contact layer 6, the ratio of the area occupied by the semiconductor is the front side FF, and a cross section by a plane including the bottom surface of the embedded material 10 in the first cladding layer 5 is assumed. Further, in the semiconductor and the filling material 10 in this cross section, the ratio of the area occupied by the semiconductor is defined as the active layer side FF. As described above, since the cross section of the embedding material 10 is tapered, the surface side FF and the active layer side FF have different values. As described above, since the cross-sectional shape of the embedding material 10 is tapered, the value of the coupling coefficient κ of the two-dimensional photonic crystal is high and the light confinement effect can be easily increased. And the formation of the convex part 10a becomes easy. For example, although the convex part 10a is formed by etching, its formation difficulty can be reduced. The active layer side FF is preferably larger than the surface side FF. That is, it is preferable that the embedding material 10 has a taper shape that becomes thinner as it approaches the active layer 3. The convex portion 10a having a tapered shape that becomes thicker as it approaches the active layer 3 can be easily manufactured as compared with the convex portion 10a that has a tapered shape that becomes thinner as the active layer 3 is approached. Can be produced. Moreover, it is preferable that surface side FF is 0.8 or less, and active layer side FF is 0.8 or more. Thereby, a high coupling coefficient κ in the two-dimensional photonic crystal and a high light confinement effect by the first cladding layer 5 can be obtained. And it is easy to manufacture a two-dimensional photonic crystal.
また、第1クラッド層5の厚さは、第1クラッド層5の屈折率にもよるが0.3μm〜1.0μm程度が好ましい。さらに好ましくは、0.5μm前後とすればよい。それにより、アスペクト比が小さくなり凸部10aの形成が容易であり、光閉じ込め効果も十分得ることができる。なお、第1クラッド層5が薄すぎると光閉じ込めが不十分になり、第1電極7による光の吸収が問題になる、一方、第1クラッド層5が厚すぎると、アスペクト比が高くなり凸部10aの形成が困難となる。 The thickness of the first cladding layer 5 is preferably about 0.3 μm to 1.0 μm although it depends on the refractive index of the first cladding layer 5. More preferably, it may be about 0.5 μm. Thereby, the aspect ratio becomes small, the formation of the convex portion 10a is easy, and the light confinement effect can be sufficiently obtained. If the first clad layer 5 is too thin, light confinement becomes insufficient, and light absorption by the first electrode 7 becomes a problem. On the other hand, if the first clad layer 5 is too thick, the aspect ratio becomes high and convex. Formation of the part 10a becomes difficult.
上述の本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、第1電極7および第2電極8間に電圧が印加されることで、注入された電流をコンタクト層6および第1クラッド層5に形成された2次元フォトニック結晶構造が電流狭窄し、活性層3が発光する。活性層3から漏れた光がコンタクト層6および第1クラッド層5に形成された2次元フォトニック結晶構造に入射し、その格子間隔に波長が一致する光は、2次元フォトニック結晶により共振して増幅され、発光面9からコヒーレントな光が発光される。 In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 according to the above-described embodiment, a voltage is applied between the first electrode 7 and the second electrode 8 to cause the injected current to flow into the contact layer 6 and the first cladding. The two-dimensional photonic crystal structure formed in the layer 5 is current-confined, and the active layer 3 emits light. The light leaking from the active layer 3 enters the two-dimensional photonic crystal structure formed in the contact layer 6 and the first cladding layer 5, and the light whose wavelength matches the lattice spacing is resonated by the two-dimensional photonic crystal. The coherent light is emitted from the light emitting surface 9.
ここで、このような2次元フォトニック結晶を備えたレーザの結合係数κについて説明する。このような回折格子結合型のレーザにおける重要なパラメータとして、回折格子の結合係数κがあげられる。ここで、フォトニック結晶構造は回折格子であり、2次元フォトニック結晶構造は2次元回折格子なので、2次元フォトニック結晶レーザは、通常の1次元回折格子を使ったDFBレーザ(distributed feedback laser:分布帰還型レーザ)と同様に考えることができる。結合係数κは、回折格子に光が結合する割合を示す値である。結合係数κは1次元回折格子を用いたDFBレーザにおいては、1次元結合波理論を用いて下記の式(1)により表される(W. Streifer他、”Coupled Wave Analysis of DFB and DBR Lasers”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE-13, No.4, pp.134, 1977参照)。 Here, the coupling coefficient κ of a laser including such a two-dimensional photonic crystal will be described. An important parameter in such a diffraction grating coupled laser is the coupling coefficient κ of the diffraction grating. Here, since the photonic crystal structure is a diffraction grating and the two-dimensional photonic crystal structure is a two-dimensional diffraction grating, the two-dimensional photonic crystal laser is a DFB laser (distributed feedback laser) using a normal one-dimensional diffraction grating. This can be considered in the same manner as a distributed feedback laser. The coupling coefficient κ is a value indicating the rate at which light is coupled to the diffraction grating. The coupling coefficient κ is expressed by the following equation (1) using a one-dimensional coupled wave theory in a DFB laser using a one-dimensional diffraction grating (W. Streifer et al., “Coupled Wave Analysis of DFB and DBR Lasers”). , IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE-13, No.4, pp.134, 1977).
ここで、回折格子に対して垂直な方向をx、光伝搬方向をzとする。また、k0は自由空間での波数、β0はz方向の伝搬定数、Aqは屈折率の二乗をz方向についてフーリエ展開したときのq次成分、ε0は電界振幅であり、ε0 *(x)はその共役複素数であり、Pは{ε0(x)ε0 *(x)}をx方向全体に積分したものである。1次元回折格子の断面が矩形の場合は、より簡便に下記の式(2)で表される。 Here, the direction perpendicular to the diffraction grating is x, and the light propagation direction is z. K 0 is the wave number in free space, β 0 is the propagation constant in the z direction, A q is the q-order component when the square of the refractive index is Fourier-expanded in the z direction, ε 0 is the electric field amplitude, and ε 0 * (X) is the conjugate complex number, and P is obtained by integrating {ε 0 (x) ε 0 * (x)} over the entire x direction. When the cross section of the one-dimensional diffraction grating is rectangular, it is expressed more simply by the following formula (2).
ここでn1、n2は、1次元回折格子を構成する材料の屈折率であり、mはブラッグ回折の次数であり、Γgratingは1次元回折格子層に分布する光の割合(光閉じ込め係数)であり、wは1次元回折格子における溝の幅であり、Λは1次元回折格子の周期である。式(2)から分かるように、結合係数κは、「1次元回折格子を構成する材料の屈折率差」、「1次元回折格子層に分布する光の割合」、「1次元回折格子における溝の幅」により決まる。 Here, n 1 and n 2 are the refractive indexes of the materials constituting the one-dimensional diffraction grating, m is the order of Bragg diffraction, and Γ grating is the proportion of light distributed in the one-dimensional diffraction grating layer (light confinement coefficient). ), W is the width of the groove in the one-dimensional diffraction grating, and Λ is the period of the one-dimensional diffraction grating. As can be seen from the equation (2), the coupling coefficient κ is “the refractive index difference of the material constituting the one-dimensional diffraction grating”, “the ratio of the light distributed in the one-dimensional diffraction grating layer”, “the groove in the one-dimensional diffraction grating”. Width ".
式(2)を用いて、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける結合係数κとFilling Factor(以下、FFという)すなわち2次元フォトニック結晶構造全体における高屈折率部分の割合との関係を計算により求める。なお、FFは、具体的には(1−w/Λ)で表される。このように、1次元回折格子(1次元フォトニック結晶構造)の場合は、1から、1次元フォトニック結晶構造における周期に対する溝の割合を減じた値であるが、2次元フォトニック結晶構造の場合は、2次元フォトニック結晶の単位格子を考えたときに、単位格子における凹部(低屈折率材料)の面積の割合を1から減じた値である。なお、計算においては、2次元フォトニック結晶面発光レーザとしては、図2に示した構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザを用いる。図2は結合係数κとFilling Factorを計算により求めるために用いた2次元フォトニック結晶面発光レーザのモデル構成を示す断面図である。なお、図2においては、計算には用いないため、電極については省略している。図2において、基板21は屈折率が3.524であるGaAsとし、厚さは無限大とした。第2クラッド層22は屈折率が3.306であるAl0.4Ga0.6Asとし、厚さは2.0μmとした。活性層23はSCH−MQW(Multiple Quantum Well:多重量子井戸)構造であり、屈折率が3.539であり、厚さは0.144μmとした。また、キャリアストップ層24は屈折率が3.195であるAl0.6Ga0.4Asとし、厚さは0.04μmとした。また、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有していない箇所25bは屈折率が3.306であるAl0.4Ga0.6Asとし、厚さは0.04μmとした。また、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有している箇所25aは屈折率が3.306であるAl0.4Ga0.6Asと、屈折率が1.5である材料30(例えばSiO2)とが、図2に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは1.96μmとした。また、コンタクト層26は屈折率が3.5242であるGaAsと、屈折率が1.5である材料30(例えばSiO2)とが、図2に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは0.02μmとした。また、コンタクト層26の上層には屈折率が1.0の空気が無限大の厚さで設けられていることとした。このような、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、回折次数mを2と仮定して、式(2)を用いて、結合係数κとFFとの関係を求める。なお、上述のように、式(2)は1次元回折格子(1次元フォトニック結晶構造)における計算式であるが、2次元フォトニック結晶の場合の計算においても、簡便な近似として用いることができる。なお、Γgratingはスラブ導波路を仮定し、転送行列法で計算した。また、光の波長としては980nmを仮定した。 Using equation (2), the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor (hereinafter referred to as FF) in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, that is, the ratio of the high refractive index portion in the entire two-dimensional photonic crystal structure is calculated. Ask. The FF is specifically represented by (1-w / Λ). Thus, in the case of a one-dimensional diffraction grating (one-dimensional photonic crystal structure), the value is obtained by subtracting the ratio of the groove to the period in the one-dimensional photonic crystal structure from one, but the two-dimensional photonic crystal structure In this case, when the unit cell of the two-dimensional photonic crystal is considered, the ratio of the area of the recess (low refractive index material) in the unit cell is a value obtained by subtracting from 1. In the calculation, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having the configuration shown in FIG. 2 is used as the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a model configuration of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser used for calculating a coupling coefficient κ and a filling factor. In FIG. 2, electrodes are omitted because they are not used in the calculation. In FIG. 2, the substrate 21 is made of GaAs having a refractive index of 3.524 and the thickness is infinite. The second cladding layer 22 was Al 0.4 Ga 0.6 As having a refractive index of 3.306, and the thickness was 2.0 μm. The active layer 23 has an SCH-MQW (Multiple Quantum Well) structure, a refractive index of 3.539, and a thickness of 0.144 μm. The carrier stop layer 24 is made of Al 0.6 Ga 0.4 As having a refractive index of 3.195, and the thickness is 0.04 μm. Further, the portion 25b of the first cladding layer 25 that does not have a photonic crystal structure is Al 0.4 Ga 0.6 As having a refractive index of 3.306, and the thickness is 0.04 μm. Further, in the first clad layer 25, a portion 25a having a photonic crystal structure has Al 0.4 Ga 0.6 As having a refractive index of 3.306 and a material 30 having a refractive index of 1.5. (For example, SiO 2 ) are alternately and periodically formed as shown in FIG. 2, and the thickness is 1.96 μm. The contact layer 26 is formed by alternately and periodically forming GaAs having a refractive index of 3.5242 and a material 30 (for example, SiO 2 ) having a refractive index of 1.5 as shown in FIG. The thickness was 0.02 μm. In addition, air having a refractive index of 1.0 is provided on the contact layer 26 in an infinite thickness. In such a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, assuming that the diffraction order m is 2, the relationship between the coupling coefficient κ and FF is obtained using equation (2). As described above, equation (2) is a calculation formula for a one-dimensional diffraction grating (one-dimensional photonic crystal structure), but it can also be used as a simple approximation in calculations for a two-dimensional photonic crystal. it can. Note that Γ- grading was calculated by the transfer matrix method assuming a slab waveguide. The wavelength of light was assumed to be 980 nm.
式(2)により計算した結果を図3に表す。図3は1次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。なお、フォトニック結晶に形成される凸部が柱状の場合について、まず計算する。図3に示すように、FFは結合係数κに大きく依存し、FF=0.9付近で極大値を持つ。2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、結合係数κが大きいほど、フォトニック結晶構造による特性がより強く生じるため、好ましい。しかし、FF=0.9とすると、1次元フォトニック結晶構造とした場合は、その周期に対して溝の幅が0.1であることから、例えば周期を300nmとすると、溝の幅が30nmとなり、パターン形状が微細化するため製造が困難である。また、2次元フォトニック結晶としても、直径100nm程度の円柱状の凸部を形成する必要があり、パターン形状が微細化するため製造が困難である。より具体的には、1次元フォトニック結晶構造であれば、一般的なレーザとして上部クラッド層である第1クラッド層25の厚さを2μmとすればエッチング深さは1.9μm程度必要であることから、アスペクト比は60となり、2次元フォトニック結晶構造であればアスペクト比は20となり、非常に高いアスペクト比の周期構造が必要である。したがって、加工難度が高い。 The result calculated by the equation (2) is shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ obtained using the one-dimensional coupled wave theory and the filling factor. In addition, it calculates first about the case where the convex part formed in a photonic crystal is columnar. As shown in FIG. 3, FF greatly depends on the coupling coefficient κ, and has a local maximum value near FF = 0.9. In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the larger the coupling coefficient κ, the better the characteristics due to the photonic crystal structure. However, when FF = 0.9, when the one-dimensional photonic crystal structure is used, the groove width is 0.1 with respect to the period. For example, when the period is 300 nm, the groove width is 30 nm. Therefore, since the pattern shape is miniaturized, it is difficult to manufacture. Also, a two-dimensional photonic crystal needs to be formed with a cylindrical convex portion having a diameter of about 100 nm, and is difficult to manufacture because the pattern shape is miniaturized. More specifically, in the case of a one-dimensional photonic crystal structure, an etching depth of about 1.9 μm is required if the thickness of the first cladding layer 25 that is the upper cladding layer is 2 μm as a general laser. Therefore, the aspect ratio is 60, and the two-dimensional photonic crystal structure has an aspect ratio of 20, which requires a periodic structure with a very high aspect ratio. Therefore, the processing difficulty is high.
また、一般的に、1次元フォトニック結晶構造を有するレーザにおいては、結合係数κは1000cm−1以上が必要であるとされている(D. Ohnishi他、Optics Express, vol.12, No.8, pp.1562, 2004参照)。しかし、図3に示された極大値は500cm−1であることから、図2に示した2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成では好ましい特性を得ることはできない。これは、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザは、第1クラッド層25の表面から加工することでフォトニック結晶構造を形成することから、上部クラッド層である第1クラッド層25に低屈折率材料である材料30が充填された部分が形成されているため、第1クラッド層25全体の平均屈折率が低下し、Γgratingが小さくなっているためであると考えられる。 In general, a laser having a one-dimensional photonic crystal structure requires a coupling coefficient κ of 1000 cm −1 or more (D. Ohnishi et al., Optics Express, vol. 12, No. 8). , pp.1562, 2004). However, since the maximum value shown in FIG. 3 is 500 cm −1 , favorable characteristics cannot be obtained with the configuration of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser shown in FIG. This is because the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present embodiment forms a photonic crystal structure by processing from the surface of the first cladding layer 25, so that the first cladding layer which is the upper cladding layer This is probably because a portion filled with the material 30 that is a low refractive index material is formed in 25, and the average refractive index of the first cladding layer 25 as a whole is lowered and Γ grating is reduced.
結合係数κを増加させるためには、例えば、Al0.4Ga0.6Asである第1クラッド層25のうち、Alの組成を変化させて、第1クラッド層25の屈折率を増加させる方法が考えられる。具体的には、Alの組成を40%から0%へと減少させた場合について、式(2)を用いて計算を行い、その計算結果を図4に示す。図4は第1クラッド層のAl組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図4に示されているように、Alの組成を30%以下とした場合は、結合係数κの極大値が、上述した必要とされる値である1000cm−1を超えている。また、さらにAlの組成を下げることで、結合係数κは5000cm−1以上となり、大幅に向上していることが分かる。このように、第1クラッド層25の屈折率を高く設計することで、十分な結合係数κを得ることができる。 In order to increase the coupling coefficient κ, for example, the refractive index of the first cladding layer 25 is increased by changing the composition of Al in the first cladding layer 25 of Al 0.4 Ga 0.6 As. A method is conceivable. Specifically, for the case where the Al composition is decreased from 40% to 0%, calculation is performed using Equation (2), and the calculation result is shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor when the Al composition of the first cladding layer is changed. As shown in FIG. 4, when the Al composition is 30% or less, the maximum value of the coupling coefficient κ exceeds the required value of 1000 cm −1 described above. It can also be seen that by further reducing the Al composition, the coupling coefficient κ becomes 5000 cm −1 or more, which is significantly improved. Thus, a sufficient coupling coefficient κ can be obtained by designing the refractive index of the first cladding layer 25 to be high.
また、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、高アスペクト比の周期構造を有することから、加工が困難である点を改善するためには、第1クラッド層25の厚さを薄くすればよい。しかし、薄すぎると第1クラッド層25の光閉じ込め効果が弱くなり、第1電極7による光吸収が増大し、発振閾値が上昇するという問題が生じる。それにより、発振しないという問題も生じ得る。そこで、十分な光閉じ込め効果を有する第1クラッド層25の厚さを計算により求める。この計算には、図5に示す構成のレーザを用いた。図5は、第1クラッド層の厚さと光閉じ込めの強さの関係を求めるために用いたレーザのモデル構成を示す断面図である。図5に示すように、第2クラッド層に光閉じ込め効果を算出するため用いたモデルは、n型のGaAs基板である基板31と、n型Al0.4Ga0.6Asで形成された第2クラッド層32と、活性層33と、p型Al0.6Ga0.4Asで形成されたキャリアストップ層34と、p型AlxGa(1−x)Asで形成された第1クラッド層35と、p+型GaAsで形成されたコンタクト層36とが順次積層された構成である。また、光の波長は先ほどの計算と同様に、980nmを仮定している。 In addition, since the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has a periodic structure with a high aspect ratio, the thickness of the first cladding layer 25 may be reduced in order to improve the difficulty in processing. However, if the thickness is too thin, the light confinement effect of the first cladding layer 25 is weakened, and light absorption by the first electrode 7 is increased, resulting in a problem that the oscillation threshold is increased. Thereby, the problem of not oscillating may also arise. Therefore, the thickness of the first cladding layer 25 having a sufficient light confinement effect is obtained by calculation. For this calculation, a laser having the configuration shown in FIG. 5 was used. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a model configuration of a laser used for obtaining the relationship between the thickness of the first cladding layer and the intensity of optical confinement. As shown in FIG. 5, the model used for calculating the optical confinement effect in the second cladding layer was formed of a substrate 31 that is an n-type GaAs substrate and an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As. Second cladding layer 32, active layer 33, carrier stop layer 34 formed of p-type Al 0.6 Ga 0.4 As, and first formed of p-type Al x Ga (1-x) As The cladding layer 35 and the contact layer 36 made of p + type GaAs are sequentially stacked. Further, the wavelength of light is assumed to be 980 nm as in the previous calculation.
図5に示したモデルにおいて、第1クラッド層35のAl組成を、通常のレーザで用いられる40%とした場合の第1クラッド層35の厚さとコンタクト層36にしみだす光の割合を計算して、図6に示す。さらに、Alの組成が0%の場合に、第1クラッド層35とコンタクト層36とに回折格子(1次元もしくは2次元)を形成した場合に、そのFFを変化させて第1クラッド層35の厚さとコンタクト層36にしみ出す光の割合とを計算し、図6に示す。なお、FFは、0.9から0.6まで変化させている。図6は、転送行列法を用いて求めた第1クラッド層厚さとコンタクト層にしみだす光の割合との関係を表すグラフである。図6に示すように、結合係数κが最適の値となる、FF=0.9の場合は、コンタクト層36にしみだす光の割合が、回折格子がない場合に比べると1桁以上増加しており、第1クラッド層35の光閉じ込め効果が弱いことが分かる。一方、FFを0.8以下にすれば、通常のAl組成40%よりも強い光閉じ込め効果が得られる。この場合、第1クラッド層35の厚さは、0.5〜1μmまたはそれ以下の厚さという、通常のレーザにおける上部クラッド層の厚さよりも薄い状態であっても、十分に強い光閉じ込め効果が得られる。したがって、第1クラッド層35の厚さは、0.3μm〜1.0μm程度が好ましい。さらに好ましくは、0.5μm前後とすればよい。それにより、十分な光閉じ込め効果を得ながら、アスペクト比が小さくなる。それにより、凸部の形成が容易になる。具体的には、エッチング加工の難度が下がる。 In the model shown in FIG. 5, the thickness of the first cladding layer 35 and the ratio of light that leaks into the contact layer 36 when the Al composition of the first cladding layer 35 is 40% that is used in a normal laser are calculated. As shown in FIG. Further, when a diffraction grating (one-dimensional or two-dimensional) is formed in the first cladding layer 35 and the contact layer 36 when the Al composition is 0%, the FF is changed to change the first cladding layer 35. The thickness and the proportion of light that oozes into the contact layer 36 are calculated and shown in FIG. The FF is changed from 0.9 to 0.6. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the thickness of the first cladding layer obtained using the transfer matrix method and the ratio of light that leaks into the contact layer. As shown in FIG. 6, in the case of FF = 0.9 where the coupling coefficient κ is an optimum value, the proportion of light that oozes out to the contact layer 36 increases by an order of magnitude or more compared to the case where there is no diffraction grating. It can be seen that the light confinement effect of the first cladding layer 35 is weak. On the other hand, if the FF is 0.8 or less, a light confinement effect stronger than a normal Al composition of 40% can be obtained. In this case, even if the thickness of the first cladding layer 35 is 0.5 to 1 μm or less, which is thinner than the thickness of the upper cladding layer in a normal laser, a sufficiently strong optical confinement effect Is obtained. Therefore, the thickness of the first cladding layer 35 is preferably about 0.3 μm to 1.0 μm. More preferably, it may be about 0.5 μm. Thereby, the aspect ratio becomes small while obtaining a sufficient light confinement effect. Thereby, formation of a convex part becomes easy. Specifically, the difficulty of etching processing decreases.
上述のように、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける結合係数κの増加およびアスペクト比を減少させる方法について、計算により求めた。しかし、上述の計算において用いた式(2)は、1次元回折格子(1次元フォトニック結晶構造)におけるものである。1次元フォトニック結晶構造に関する式であっても、2次元フォトニック結晶構造の解析において、近似的に用いることができるが、以下ではより厳密な解を求めるために、2次元フォトニック結晶における結合係数κの厳密な解法を用いて、同様の計算を行う。なお、2次元フォトニック結晶構造における厳密な解法は、「K. Sakai他、”Coupled-wave model for square-lattice two-dimensional photonic crystal with transverse-electric-like mode”, Applied Physics Letters, vol.89, 021101 (2006)」に示されている2次元回折格子に対する2次元の結合波理論を用いればよい。まず、図2に示したモデルを用いて、結合係数κとFFの関係について求める。各層の屈折率および厚さも上述した値と同一とする。また、格子点形状は真円を仮定し、1次元(1D)の場合および2次元(2D)の場合のどちらも180°方向への回折に対する結合係数κを計算した。 As described above, the method of increasing the coupling coefficient κ and decreasing the aspect ratio in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser was obtained by calculation. However, Equation (2) used in the above calculation is for a one-dimensional diffraction grating (one-dimensional photonic crystal structure). Even if it is a formula related to the one-dimensional photonic crystal structure, it can be used approximately in the analysis of the two-dimensional photonic crystal structure, but in the following, in order to obtain a more exact solution, the coupling in the two-dimensional photonic crystal structure Similar calculations are performed using an exact solution of the coefficient κ. The exact solution for the two-dimensional photonic crystal structure is described in “K. Sakai et al.,“ Coupled-wave model for square-lattice two-dimensional photonic crystal with transverse-electric-like mode ”, Applied Physics Letters, vol.89. , 021101 (2006) ”, the two-dimensional coupled wave theory for the two-dimensional diffraction grating may be used. First, the relationship between the coupling coefficient κ and FF is determined using the model shown in FIG. The refractive index and thickness of each layer are also the same as those described above. Also, assuming that the lattice point shape is a perfect circle, the coupling coefficient κ for diffraction in the 180 ° direction was calculated in both the one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) cases.
図7は1次元結合波理論および2次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図7に示されているように、1次元フォトニック結晶構造の場合(1D計算)の極大値に対して、2次元フォトニック結晶構造の場合(2D計算)の極大値は、0.5倍程度になっている。このことから、上述したように、一般的に、2次元フォトニック結晶レーザの結合係数κを1次元結合波理論で近似的に見積もった場合は、低閾値発振には1000cm−1以上の結合係数κが必要である。ここで、図7に示された結果より、2次元フォトニック結晶レーザの結合係数を2次元結合波理論で見積もった場合には、500cm−1以上が必要であると考えられる。また、2次元結合波理論を用いて、第1クラッド層25のAl組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を計算により求める。なお、計算においては、図4に示したグラフを求めた条件と同様の条件について、結合係数κとFilling Factorとの関係を計算し、その計算結果を図8に表す。図8は、2次元結合波理論を用いて求めた、第1クラッド層のAl組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図4と図8を比較すればわかるように、両者は若干の違いはあるが、どちらもFF=0.9〜0.95で極大値を取るという同じ傾向を示している。したがって、1次元結合波理論を用いて、2次元フォトニック結晶の解析を行うことは有効な近似であることがわかる。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ determined using the one-dimensional coupled wave theory and the two-dimensional coupled wave theory and the filling factor. As shown in FIG. 7, the maximum value in the case of the two-dimensional photonic crystal structure (2D calculation) is 0.5 times the maximum value in the case of the one-dimensional photonic crystal structure (1D calculation). It is about. Therefore, as described above, generally, when the coupling coefficient κ of a two-dimensional photonic crystal laser is approximately estimated by the one-dimensional coupled wave theory, a coupling coefficient of 1000 cm −1 or more is required for low threshold oscillation. κ is required. Here, from the result shown in FIG. 7, when the coupling coefficient of the two-dimensional photonic crystal laser is estimated by the two-dimensional coupled wave theory, it is considered that 500 cm −1 or more is necessary. Further, using the two-dimensional coupled wave theory, the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor when the Al composition of the first cladding layer 25 is changed is obtained by calculation. In the calculation, the relationship between the coupling coefficient κ and the Filling Factor is calculated under the same conditions as those for obtaining the graph shown in FIG. 4, and the calculation result is shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor obtained by changing the Al composition of the first cladding layer, which is obtained using the two-dimensional coupled wave theory. As can be seen from a comparison between FIG. 4 and FIG. 8, both are slightly different, but both show the same tendency of taking a maximum value at FF = 0.9 to 0.95. Therefore, it can be understood that the analysis of the two-dimensional photonic crystal using the one-dimensional coupled wave theory is an effective approximation.
上述した計算結果より、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶構造のFFは0.9近傍が好ましい。しかし、クラッド層の光閉じ込めおよび加工難易度の点からは、FFは0.8以下が好ましく、さらに好ましくは0.7以下である。このように、好ましいFFの値が異なるが、これら好ましい条件を共に含むこととするために、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける2次元フォトニック結晶構造の断面形状をテーパ状とすることが好ましい。つまり、凸部10a(図1を参照)において、断面形状において表面側FFと活性層側FFとが異なっていることとすれば好ましい。図9は、本発明の実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの要部拡大図である。具体的には、図1に示した2次元フォトニック結晶面発光レーザ100におけるフォトニック結晶構造部分の拡大図である。なお、表面側FFとは、コンタクト層6の主面の内、発光面側の主面におけるFFをいう。また、活性層側FFとは、第1クラッド層5に形成された埋め込み材料10の底面に沿った面10bにおけるFFをいう。 From the above calculation results, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the FF of the photonic crystal structure is preferably near 0.9. However, from the viewpoint of optical confinement of the clad layer and processing difficulty, FF is preferably 0.8 or less, more preferably 0.7 or less. Thus, although the preferable FF values are different, in order to include both of these preferable conditions, the cross-sectional shape of the two-dimensional photonic crystal structure in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is preferably tapered. . In other words, in the convex portion 10a (see FIG. 1), it is preferable that the surface side FF and the active layer side FF are different in the cross-sectional shape. FIG. 9 is an enlarged view of a main part of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention. Specifically, it is an enlarged view of a photonic crystal structure portion in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 shown in FIG. In addition, surface side FF means FF in the main surface by the side of a light emission surface among the main surfaces of the contact layer 6. FIG. The active layer side FF is an FF on the surface 10 b along the bottom surface of the embedding material 10 formed in the first cladding layer 5.
以下、好ましい表面側FFおよび活性層側FFの値について、計算により求める。計算には、図2に示した構成のモデルを用い、第1クラッド層25以外は条件も上述したものと略同じとする。第1クラッド層25については、AlxGa(1−x)AsであってAl組成は0%とする。具体的には、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有していない箇所25bは屈折率が3.5242であるAl0.0Ga1.0Asとし、厚さは0.04μmとした。また、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有している箇所25aは、屈折率が3.5242であるAl0.0Ga1.0Asと、屈折率が1.5である材料30とが、図2に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは0.5μmまたは0.9μmとした。また、第1クラッド層25およびコンタクト層26における材料30の深さ(埋め込み材料の深さ)も変更する。なお、埋め込み材料の深さは、材料30の深さ方向の長さに当たる。具体的には、第1クラッド層25全体の厚さは0.54μmまたは0.94μmとして計算する。なお、第1クラッド層25全体の厚さを0.54μmとする場合は、フォトニック結晶構造を有している箇所25aの厚さは0.5μmとし、第1クラッド層25全体の厚さを0.94μmとする場合は、フォトニック結晶構造を有している箇所25aの厚さは0.9μmとする。また、コンタクト層26の厚さは、0.02μmであることから、なお、第1クラッド層25全体の厚さを0.54μmとする場合の埋め込み材料の深さは、0.52μmであり、第1クラッド層25全体の厚さを0.94μmとする場合の埋め込み材料の深さは、0.92μmである。 Hereinafter, preferable values of the surface side FF and the active layer side FF are obtained by calculation. For the calculation, the model having the configuration shown in FIG. 2 is used, and the conditions other than the first cladding layer 25 are substantially the same as those described above. The first cladding layer 25 is made of Al x Ga (1-x) As and has an Al composition of 0%. Specifically, the portion 25b of the first cladding layer 25 that does not have a photonic crystal structure is Al 0.0 Ga 1.0 As having a refractive index of 3.5242, and the thickness is 0.04 μm. did. Further, the portion 25a having the photonic crystal structure in the first cladding layer 25 is made of Al 0.0 Ga 1.0 As having a refractive index of 3.5242 and a material having a refractive index of 1.5. 30 are alternately and periodically formed as shown in FIG. 2, and the thickness is 0.5 μm or 0.9 μm. In addition, the depth of the material 30 in the first cladding layer 25 and the contact layer 26 (depth of the embedding material) is also changed. The depth of the embedding material corresponds to the length of the material 30 in the depth direction. Specifically, the thickness of the entire first cladding layer 25 is calculated as 0.54 μm or 0.94 μm. When the thickness of the entire first cladding layer 25 is 0.54 μm, the thickness of the portion 25 a having the photonic crystal structure is 0.5 μm, and the thickness of the entire first cladding layer 25 is In the case of 0.94 μm, the thickness of the portion 25 a having the photonic crystal structure is 0.9 μm. Further, since the thickness of the contact layer 26 is 0.02 μm, the depth of the embedding material when the total thickness of the first cladding layer 25 is 0.54 μm is 0.52 μm, When the thickness of the entire first cladding layer 25 is 0.94 μm, the depth of the filling material is 0.92 μm.
なお、2次元結合波理論を用いて計算する。そして、表面側FFおよび活性層側FFの値をそれぞれ0.0〜1.0まで変化させたときの180°方向への回折の結合係数κおよびコンタクト層26へしみだした光の割合を計算する。図10は埋め込み材料の深さが0.52μmの場合の表面側FF(Filling Factor)および活性層側FF(Filling Factor)に対する計算結果を示すグラフであって、図10(A)は結合係数κの値を示すグラフであり、図10(B)はコンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。なお、埋め込み材料の深さとは、埋め込み材料を埋め込んだ回折格子の深さと同一である。 The calculation is performed using a two-dimensional coupled wave theory. Then, when the values of the surface-side FF and the active layer-side FF are changed from 0.0 to 1.0, respectively, the diffraction coupling coefficient κ in the 180 ° direction and the ratio of the light oozing out to the contact layer 26 are calculated. To do. FIG. 10 is a graph showing calculation results for the surface-side FF (Filling Factor) and the active layer-side FF (Filling Factor) when the depth of the embedding material is 0.52 μm. FIG. 10 (A) shows the coupling coefficient κ. FIG. 10B is a graph showing the ratio of light that oozes into the contact layer. The depth of the embedding material is the same as the depth of the diffraction grating in which the embedding material is embedded.
図10(A)および図10(B)より、埋め込み材料の深さが0.52μmの場合は、活性層側FFが0.8以上であれば表面側FFの広い範囲において、結合係数κは500cm−1以上である。特に表面側FFが0.9付近では結合係数κは1500cm−1を超えている。また、表面側FFが0.8以下であれば第1クラッド層25およびコンタクト層26を合わせた厚さが約0.5μm(正確には、0.56μm)と薄いにもかかわらず、コンタクト層26へのしみだしは0.01%以下であることから、十分な光閉じ込め効果が得られているといえる。したがって、活性層側FFは0.8以上が好ましく、さらに好ましくは0.9以上である。また、表面側FFは0.8以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めが両立できるという効果を奏する。なお、表面側FFが小さすぎると、2次元フォトニック結晶構造における凸部が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100の平面視においてコンタクト層6の面積が小さいほど、それらの上に形成される第1電極7の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題も生じる(図1参照)。したがって、表面側FFが小さすぎるのは好ましくなく、表面側FFは0.4以上とすることが好ましい。 From FIG. 10A and FIG. 10B, when the depth of the embedding material is 0.52 μm, the coupling coefficient κ is wide in the wide range of the surface side FF if the active layer side FF is 0.8 or more. 500 cm −1 or more. In particular, when the surface side FF is around 0.9, the coupling coefficient κ exceeds 1500 cm −1 . In addition, if the surface side FF is 0.8 or less, the contact layer is thin although the total thickness of the first cladding layer 25 and the contact layer 26 is about 0.5 μm (more precisely, 0.56 μm). Since the oozing to 26 is 0.01% or less, it can be said that a sufficient light confinement effect is obtained. Therefore, the active layer side FF is preferably 0.8 or more, more preferably 0.9 or more. Moreover, it is preferable that surface side FF shall be 0.8 or less. Thereby, there is an effect that both a high coupling coefficient κ and strong light confinement can be achieved. In addition, when the surface side FF is too small, the problem that the convex part in a two-dimensional photonic crystal structure becomes thin and becomes structurally weak arises. Furthermore, the smaller the area of the contact layer 6 in a plan view of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100, the smaller the area of the first electrode 7 formed on the contact layer 6, and the higher the electrical resistance. (See FIG. 1). Therefore, it is not preferable that the surface-side FF is too small, and the surface-side FF is preferably 0.4 or more.
また、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、製造において、半導体を積層後、半導体表面からエッチング等を行って凸部10aを形成した後に、その凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料10を埋め込むことでフォトニック結晶構造を形成する。このような加工方法を用いることを考えると、加工難度の点から、活性層側FFが表面側FFと同一または大きいことが好ましい。つまり、フォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、凸部10aは活性層側に近づくほど太くなるテーパ形状の円錐台体あるいはテーパ形状でなく円柱体であることが好ましい。 Further, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 according to the present embodiment, in manufacturing, after stacking the semiconductors, etching and the like are performed from the semiconductor surface to form the convex portions 10a, and then the convex portions and the convex portions A photonic crystal structure is formed by embedding the embedding material 10 in the recesses between the two. Considering the use of such a processing method, it is preferable that the active layer side FF is the same as or larger than the surface side FF from the viewpoint of processing difficulty. That is, in the cross-sectional shape by the surface along the photonic crystal structure lamination direction, it is preferable that the convex part 10a is not a tapered truncated cone or a cylindrical body that becomes thicker as it approaches the active layer side.
次に、埋め込み材料の深さが0.9μmの場合の表面側FFおよび活性層側FFに対する計算結果について説明する。図11は埋め込み材料の深さが0.92μmの場合の表面側FF(Filling Factor)および活性層側FF(Filling Factor)に対する計算結果を示すグラフであって、図11(A)は結合係数κの値を示すグラフであり、図11(B)はコンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。 Next, calculation results for the surface-side FF and the active layer-side FF when the depth of the embedding material is 0.9 μm will be described. FIG. 11 is a graph showing calculation results for the surface side FF (Filling Factor) and the active layer side FF (Filling Factor) when the depth of the embedding material is 0.92 μm. FIG. 11A shows the coupling coefficient κ. FIG. 11B is a graph showing the ratio of light that oozes into the contact layer.
図11(A)および図11(B)より、埋め込み材料の深さが0.92μmの場合は、活性層側FFが0.8以上であれば表面側FFの全範囲において、結合係数κは500cm−1以上である。特に表面側FFが0.9付近では結合係数κは2000cm−1を超えている。また、表面側FFが0.9以下であれば第1クラッド層25およびコンタクト層26を合わせた厚さが約1.0μm(正確には、0.96μm)と薄いにもかかわらず、コンタクト層26へのしみだしは0.01%以下であることから、十分な光閉じ込め効果が得られているといえる。したがって、活性層側FFは0.8以上が好ましく、さらに好ましくは0.9以上である。また、表面側FFは0.9以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めとが両立できるという効果を奏する。なお、表面側FFが小さすぎると、2次元フォトニック結晶構造における半導体の部分が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100の平面視においてコンタクト層6の面積が小さいほど、それらの上に形成される第1電極7の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題も生じる(図1参照)。したがって、表面側FFが小さすぎるのは好ましくなく、0.4以上とすることが好ましい。 From FIG. 11 (A) and FIG. 11 (B), when the depth of the embedding material is 0.92 μm, the coupling coefficient κ is the entire range of the surface side FF if the active layer side FF is 0.8 or more. 500 cm −1 or more. In particular, when the surface side FF is around 0.9, the coupling coefficient κ exceeds 2000 cm −1 . Further, if the surface side FF is 0.9 or less, the contact layer is thin although the total thickness of the first cladding layer 25 and the contact layer 26 is as thin as about 1.0 μm (more precisely, 0.96 μm). Since the oozing to 26 is 0.01% or less, it can be said that a sufficient light confinement effect is obtained. Therefore, the active layer side FF is preferably 0.8 or more, more preferably 0.9 or more. Moreover, it is preferable that surface side FF shall be 0.9 or less. As a result, there is an effect that both a high coupling coefficient κ and strong light confinement can be achieved. If the surface-side FF is too small, the semiconductor portion in the two-dimensional photonic crystal structure becomes thin and structurally weak. Furthermore, the smaller the area of the contact layer 6 in a plan view of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100, the smaller the area of the first electrode 7 formed on the contact layer 6, and the higher the electrical resistance. (See FIG. 1). Therefore, it is not preferable that the surface-side FF is too small, and it is preferable to set it to 0.4 or more.
また、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、製造において、半導体を積層後、半導体表面からエッチング等を行って凸部10aを形成した後に、その凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料10を埋め込むことでフォトニック結晶構造を形成する。このような加工方法を用いることを考えると、加工難度の点から、活性層側FFが表面側FFと同一または大きいことが好ましい。 Further, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 according to the present embodiment, in manufacturing, after stacking the semiconductors, etching and the like are performed from the semiconductor surface to form the convex portions 10a, and then the convex portions and the convex portions A photonic crystal structure is formed by embedding the embedding material 10 in the recesses between the two. Considering the use of such a processing method, it is preferable that the active layer side FF is the same as or larger than the surface side FF from the viewpoint of processing difficulty.
なお、上述の計算においては、AlxGa(1−x)Asである第1クラッド層25のAl組成を0%とし、その厚さを0.54μm、0.94μmとしている。ここで、Al組成を高くして、第1クラッド層25の平均屈折率を低くすれば、第1クラッド層25の厚さを0.3μm以下程度にしても、十分な光閉じ込め効果を得ることができる。したがって、さらに加工難度を低下させることができる。なお、加工難度が高くなっても、加工が可能であれば、第1クラッド層25の厚さを0.54μmより厚い、例えば0.75μm〜1.0μmにすることで、図10と図11との比較から分かるように、結合係数κの値を全体的に大きくするとともに、コンタクト層26にしみだす光の割合を小さくすることができる。それにより、結合係数κが500cm−1よりも大きい値を得ることができるFFの範囲が広くなる、およびコンタクト層26への光のしみだしをさらに低減でき、上部電極での光の吸収をさらに抑制できることが分かる。 In the above calculation, the Al composition of the first cladding layer 25 made of Al x Ga (1-x) As is 0%, and the thicknesses are 0.54 μm and 0.94 μm. Here, if the Al composition is increased and the average refractive index of the first cladding layer 25 is decreased, a sufficient optical confinement effect can be obtained even if the thickness of the first cladding layer 25 is about 0.3 μm or less. Can do. Therefore, the processing difficulty can be further reduced. If the processing is possible even if the processing difficulty level is increased, the thickness of the first cladding layer 25 is set to be thicker than 0.54 μm, for example, 0.75 μm to 1.0 μm. As can be seen from the comparison, the value of the coupling coefficient κ can be increased as a whole, and the proportion of the light leaking into the contact layer 26 can be reduced. As a result, the range of the FF in which the coupling coefficient κ can obtain a value larger than 500 cm −1 can be widened, and the leakage of light to the contact layer 26 can be further reduced, and the absorption of light at the upper electrode can be further reduced. It turns out that it can suppress.
上述したように、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100(図1参照)においては、第1導電層クラッド層5を含む第1半導体層に2次元フォトニック結晶構造を形成する。これにより、第1クラッド層5の平均屈折率を活性層3に比べて大幅に低くできる。そのため、第1クラッド層5としては、通常の半導体レーザに比べて屈折率が高い組成の材料を用いることができる。さらに第1クラッド層5の厚さが、通常の半導体レーザに比べて薄くても十分な光閉じ込め効果を得ることができる。例えば、980nm帯のレーザにおいて、AlxGa(1−x)Asを第1クラッド層5とした場合に、Al組成は40%〜60%とするのが一般的である。また、第1クラッド層5の厚さは、1.5〜2.0μm程度が一般的だが、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100においては、第1クラッド層5のAl組成は0%〜20%、厚さは0.5〜1.0μmとすれば、十分な光閉じ込め効果を得ることができる。 As described above, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 (see FIG. 1) according to the present embodiment, a two-dimensional photonic crystal structure is formed in the first semiconductor layer including the first conductive layer cladding layer 5. To do. Thereby, the average refractive index of the first cladding layer 5 can be significantly lowered as compared with the active layer 3. Therefore, the first cladding layer 5 can be made of a material having a higher refractive index than that of a normal semiconductor laser. Furthermore, a sufficient light confinement effect can be obtained even if the thickness of the first cladding layer 5 is thinner than that of a normal semiconductor laser. For example, in a 980 nm band laser, when Al x Ga (1-x) As is used as the first cladding layer 5, the Al composition is generally 40% to 60%. The thickness of the first cladding layer 5 is generally about 1.5 to 2.0 μm, but in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 according to the present embodiment, the Al of the first cladding layer 5 is If the composition is 0% to 20% and the thickness is 0.5 to 1.0 μm, a sufficient light confinement effect can be obtained.
したがって、2次元フォトニック結晶構造のアスペクト比・深さを低くできるため、加工難度が低下する。具体的には、凸部10aをエッチングにより容易に形成できる。また、Al組成が低いため、特にAlを含む材料で問題になる、Alの酸化による素子劣化の問題が低減される。また、Al組成が低いため、第1クラッド層5の電気抵抗・熱抵抗が低くなり、素子特性が向上する。また、第1クラッド層5にGaN系を用いた場合に、Al組成が下がることによって、上記に加えて結晶性の悪化が避けられる。また、第1クラッド層5にAlGaNを用いた場合に、Al組成を下げてAl組成がゼロのGaNを第1ククラッド層として用いることができる。それにより、AlGaN系材料で一般的な課題であるp型化が困難であるという問題も避けることができる。 Therefore, since the aspect ratio and depth of the two-dimensional photonic crystal structure can be reduced, the processing difficulty is lowered. Specifically, the convex portion 10a can be easily formed by etching. Further, since the Al composition is low, the problem of device deterioration due to the oxidation of Al, which is a problem particularly in a material containing Al, is reduced. In addition, since the Al composition is low, the electrical resistance and thermal resistance of the first cladding layer 5 are reduced, and the device characteristics are improved. Further, when a GaN-based material is used for the first clad layer 5, the deterioration of crystallinity can be avoided in addition to the above because the Al composition is lowered. Further, when AlGaN is used for the first cladding layer 5, GaN having a lower Al composition and having an Al composition of zero can be used as the first cladding layer. Thereby, the problem that it is difficult to make p-type, which is a general problem with AlGaN-based materials, can also be avoided.
次に、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について図面を用いて説明する。図12は本発明の実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第1の断面工程図であって、図12(A)〜図12(D)は各工程図である。図13は本発明の実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第2の断面工程図であって、図13(A)〜図13(D)は各工程図である。なお、図13は、図12に示した工程後の工程図である。具体的には、GaAs基板上で活性層としてInGaAsを用いた980nm帯の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。なお、他の波長帯の材料系、例えばInP基板上のInGaAsP系材料、GaN基板上のInGaNや、AlGaN系でも以下の説明と同様に製造すればよい。 Next, a manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is a first cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention, and FIGS. 12A to 12D are process diagrams. is there. FIG. 13 is a second cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention, and FIGS. 13A to 13D are process diagrams. is there. FIG. 13 is a process diagram after the process shown in FIG. Specifically, a manufacturing method of a 980 nm band two-dimensional photonic crystal surface emitting laser using InGaAs as an active layer on a GaAs substrate will be described. It should be noted that other wavelength band material systems such as an InGaAsP material on an InP substrate, InGaN on a GaN substrate, and AlGaN may be manufactured in the same manner as described below.
図12(A)に示すように、まずn型GaAsで形成される基板1上に有機金属気相成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法などにより、半導体レーザ構造を順次成長する。具体的には、基板1上にn型Al0.4Ga0.6Asにより形成される第2クラッド層2(厚さ2.0μm)、無添加のInGaAs/GaAs量子井戸活性層3、p型Al0.6Ga0.4Asにより形成されるキャリアストップ層4(厚さ40nm)、p型GaAsにより形成される第1クラッド層5(厚さ0.5μm)、p+型GaAsにより形成されるコンタクト層6(厚さ20nm)が順次、積層形成される。ここで、活性層3は、3周期のInGaAs井戸層(厚さ8nm)、GaAs障壁層(厚さ20nm)および分離閉じ込め層(SCH層)(厚さ20nm)で構成されている歪み量子井戸構造であり、量子井戸発光波長が980nmになるように設計されている。なお、本実施の形態においては、上述の結晶成長工程は、一回でよいので、容易に2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造できる。 As shown in FIG. 12A, first, an organic metal vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, etc. are formed on a substrate 1 formed of n-type GaAs. Thus, the semiconductor laser structure is sequentially grown. Specifically, a second cladding layer 2 (thickness 2.0 μm) formed of n-type Al 0.4 Ga 0.6 As on the substrate 1, an additive-free InGaAs / GaAs quantum well active layer 3, p A carrier stop layer 4 (thickness 40 nm) formed of type Al 0.6 Ga 0.4 As, a first cladding layer 5 (thickness 0.5 μm) formed of p-type GaAs, and p + type GaAs. The contact layers 6 (thickness 20 nm) are sequentially stacked. Here, the active layer 3 is a strained quantum well structure composed of three periods of an InGaAs well layer (thickness 8 nm), a GaAs barrier layer (thickness 20 nm), and a separate confinement layer (SCH layer) (thickness 20 nm). The quantum well emission wavelength is designed to be 980 nm. In the present embodiment, since the above-described crystal growth process may be performed once, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be easily manufactured.
次に図12(B)に示すように、エッチングマスク層11としてSiO2(SiNや金属(Ni、Cr、Ti等)でもよい)をプラズマCVD、スパッタ、蒸着等でコンタクト層6上に成膜、続いてその上にレジスト層12(電子線レジスト、インプリント材料等)をスピンコート等の方法で成膜する。 Next, as shown in FIG. 12B, SiO 2 (which may be SiN or metal (Ni, Cr, Ti, etc.)) is formed as an etching mask layer 11 on the contact layer 6 by plasma CVD, sputtering, vapor deposition, or the like. Subsequently, a resist layer 12 (electron beam resist, imprint material, etc.) is formed thereon by a method such as spin coating.
その後、図12(C)に示すように、電子線描画法やナノインプリント法を用いて、2次元フォトニック結晶構造パターンをレジスト層12に形成し、レジスト層12に形成したパターンをRIE(reactive ion etching:反応性イオンエッチング)やICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)などのドライエッチングによってエッチングマスク層11に転写する。パターンは、具体的には円柱状の凸部13である。なお、波長980nmの光を面発光させる場合は2次元フォトニック結晶構造パターンの周期としては、290nm程度とし、パターンである凸部13の直径は50〜200nm程度とすればよい。なお、図14はパターンが形成された状態のレジスト層の平面図である。図14に示すように、円柱状の凸部13が例えば20μm角以上の範囲に規則性を有して配列されている。なお、凸部13の配列領域は正方形状、長方形状、円形状などとすればよい。 After that, as shown in FIG. 12C, a two-dimensional photonic crystal structure pattern is formed on the resist layer 12 by using an electron beam drawing method or a nanoimprint method, and the pattern formed on the resist layer 12 is formed by RIE (reactive ion). Etching is transferred to the etching mask layer 11 by dry etching such as reactive ion etching (ICP) or ICP (Inductively Coupled Plasma). Specifically, the pattern is a columnar convex portion 13. When surface emitting light having a wavelength of 980 nm, the period of the two-dimensional photonic crystal structure pattern may be about 290 nm, and the diameter of the convex portion 13 as a pattern may be about 50 to 200 nm. FIG. 14 is a plan view of the resist layer in a state where a pattern is formed. As shown in FIG. 14, the columnar convex portions 13 are arranged with regularity in a range of, for example, 20 μm square or more. In addition, what is necessary is just to make the arrangement | sequence area | region of the convex part 13 into square shape, a rectangular shape, circular shape.
また、本実施の形態においては、2次元フォトニック結晶構造を、真円形状の格子点を正方向死配列させた構造としているが、格子点形状として三角形・楕円形・V字型など、公知の形状を用いてもよい。さらに、配列としては三角格子配列や大きさの異なる格子点の複合型・フォトニック準結晶など、公知の構造を用いてもよい(特開2003−23193号公報、特開2007−273730号公報、特開2006−59864号公報、特開2004−296538号公報等参照)。 In the present embodiment, the two-dimensional photonic crystal structure has a structure in which perfect circular lattice points are arranged in a positive direction, but the lattice point shape may be a triangle, an ellipse, a V shape, or the like. The shape may be used. Furthermore, as the arrangement, a known structure such as a triangular lattice arrangement or a composite type / photonic quasicrystal of lattice points having different sizes may be used (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-23193, Japanese Patent Laid-Open No. 2007-273730, (See JP 2006-59864 A, JP 2004-296538 A, etc.).
次に、図12(D)に示すように、エッチングマスク層11をマスクとしてコンタクト層6と第1クラッド層5をICP、RIEなどのドライエッチングでエッチングすることで凸部10aが形成される。エッチングガスとしては、III−V族半導体のドライエッチングに一般的に用いられているメタン/水素系ガス・塩素系ガス・ヨウ素系ガス・臭素系ガスなどを用いればよい。エッチングの際に、2次元フォトニック結晶構造の断面をテーパ形状にしてもよい。具体的には、活性層側FFを表面側FFよりも大きくしてもよい。その場合のエッチング方法について説明する。このような方法としては、エッチングの最初には、マスクパターン(凸部13)を所定の直径で形成しておき、エッチングを進めていくことによるマスクの後退を利用して、マスクパターンの直径が徐々に狭まるようすることで、凸部10aの上下の径を異ならしめる方法がある。また、エッチングガスによってはエッチレートがAl組成で大きく変わる性質を利用すると、キャリアストップ層4をエッチストップ層として利用することもできる。 Next, as shown in FIG. 12D, the contact layer 6 and the first cladding layer 5 are etched by dry etching such as ICP or RIE using the etching mask layer 11 as a mask to form the convex portion 10a. As an etching gas, a methane / hydrogen gas, a chlorine gas, an iodine gas, a bromine gas, or the like generally used for dry etching of a group III-V semiconductor may be used. During the etching, the cross section of the two-dimensional photonic crystal structure may be tapered. Specifically, the active layer side FF may be made larger than the surface side FF. An etching method in that case will be described. As such a method, at the beginning of etching, a mask pattern (convex portion 13) is formed with a predetermined diameter, and the mask pattern diameter is reduced by utilizing the receding of the mask as the etching proceeds. There is a method of making the upper and lower diameters of the convex portion 10a different by gradually narrowing. Further, the carrier stop layer 4 can be used as an etch stop layer by utilizing the property that the etch rate varies greatly depending on the Al composition depending on the etching gas.
エッチングにより形成された凸部10aにおいて、活性層側FFは0.8以上が好ましく、さらに好ましくは0.9以上である。また、表面側FFは0.8以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めが両立できるという効果を奏する。なお、表面側FFが小さすぎると、2次元フォトニック結晶構造における凸部10a(半導体の部分)が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、第1電極7の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題を防ぐために、表面側FFは0.4以上とすることが好ましい。 In the convex portion 10a formed by etching, the active layer side FF is preferably 0.8 or more, more preferably 0.9 or more. Moreover, it is preferable that surface side FF shall be 0.8 or less. Thereby, there is an effect that both a high coupling coefficient κ and strong light confinement can be achieved. If the surface-side FF is too small, there arises a problem that the convex portion 10a (semiconductor portion) in the two-dimensional photonic crystal structure becomes thin and structurally weak. Furthermore, in order to prevent the problem that the electrical resistance is increased because the area of the first electrode 7 is reduced, the surface-side FF is preferably set to 0.4 or more.
なお、上記エッチングは活性層3に到達する前に停止させる必要がある。より具体的には、第1クラッド層5のすべてをエッチングせずに途中でエッチングを停止すればよい。これにより、上記エッチングによる活性層3へのダメージを抑制することができ、発光効率の減少を避けることができる。具体的には、エッチングは、活性層3の手前50nmから活性層3の直前までとすればよい。凸部と凸部との間の凹部の底面が活性層3に近いほどフォトニック結晶構造の結合係数κは大きくなるが、近すぎるとプラズマによる活性層3へのダメージが生じる可能性があるためである。 The etching needs to be stopped before reaching the active layer 3. More specifically, the etching may be stopped halfway without etching all of the first cladding layer 5. Thereby, the damage to the active layer 3 by the said etching can be suppressed, and the fall of luminous efficiency can be avoided. Specifically, the etching may be performed from 50 nm before the active layer 3 to immediately before the active layer 3. The closer the bottom surface of the concave portion between the convex portions is to the active layer 3, the larger the coupling coefficient κ of the photonic crystal structure, but if it is too close, the active layer 3 may be damaged by plasma. It is.
ここで、上述したフォトニック結晶の断面形状をテーパ形状とするための具体的な条件を示す。上述のように、エッチングマスク層11はSiO2として、p+型GaAsにより形成されるコンタクト層6およびp型GaAsにより形成される第1クラッド層5をRIE装置を使用して、ドライエッチングする。エッチングガスはBCl3とし、ガス流量は2sccmとし、圧力は5mTorrとし、RF電力は100Wとし、エッチング時間は3分間とした。その結果、周期は290nmであり、深さは400nmの凸部10aを形成することができた。そして、その表面側FFは0.65であり、活性層側FFは0.84であり、断面においてテーパ形状をもつ2次元フォトニック結晶構造を形成することができた。 Here, the concrete conditions for making the cross-sectional shape of the photonic crystal mentioned above into a taper shape are shown. As described above, the etching mask layer 11 is made of SiO 2 , and the contact layer 6 formed of p + type GaAs and the first cladding layer 5 formed of p type GaAs are dry-etched using an RIE apparatus. The etching gas was BCl 3 , the gas flow rate was 2 sccm, the pressure was 5 mTorr, the RF power was 100 W, and the etching time was 3 minutes. As a result, the convex part 10a with a period of 290 nm and a depth of 400 nm could be formed. And the surface side FF was 0.65 and the active layer side FF was 0.84, and it was possible to form a two-dimensional photonic crystal structure having a tapered shape in the cross section.
次に図13(A)に示すように、エッチングマスク層11をバッファードフッ酸などで除去した後に、凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料10を埋め込む。例えば上述のように、埋め込み材料10は、SiO2、SiN、SOG(spin on glass)、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)などのような、レーザの発振波長で透明でかつ電気的絶縁性のある材料で、電極形成の際の電極合金化工程の加熱に耐えうる耐熱性のある材料とすればよい。また埋込方法としてはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)などの化学気相体積(CVD)法、スパッタ法、スピンコート法などを使うことができる。このように、凹部に埋め込み材料10を埋め込むことにより、コンタクト層6の上面が平坦になり、コンタクト層6の上面への電極形成が容易になる。また、コンタクト層6および第1クラッド層5の凸部10aが露呈されないため、酸化による素子劣化を受けにくい。 Next, as shown in FIG. 13A, after the etching mask layer 11 is removed with buffered hydrofluoric acid or the like, the embedding material 10 is embedded in the concave portion between the convex portions. For example, as described above, the filling material 10 is transparent and electrically insulative at the oscillation wavelength of the laser, such as SiO 2 , SiN, SOG (spin on glass), polyimide, BCB (benzocyclobutene), and the like. The material may be a heat-resistant material that can withstand the heating in the electrode alloying process at the time of electrode formation. As the embedding method, a chemical vapor volume (CVD) method such as plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) or LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), a sputtering method, a spin coating method, or the like can be used. Thus, by embedding the embedding material 10 in the recess, the upper surface of the contact layer 6 becomes flat, and the electrode formation on the upper surface of the contact layer 6 becomes easy. In addition, since the contact layer 6 and the convex portion 10a of the first cladding layer 5 are not exposed, the element is not easily deteriorated due to oxidation.
このように構成することによって、凸部10aを流れる電子は、凸部と凸部との間の凹部に埋め込まれた埋め込み材料10に流入できないため、電流狭窄効果を得ることができる。 By configuring in this way, electrons flowing through the convex portion 10a cannot flow into the embedding material 10 embedded in the concave portion between the convex portions, so that a current confinement effect can be obtained.
次に図13(B)に示すように、(ウェットまたはドライ)エッチングを用いて、コンタクト層6上に成膜された埋め込み材料10を除去して、コンタクト層6を露出させる。なお、埋め込み材料10はエッチングするが、コンタクト層6はエッチングしないように方法および条件を選択することで、コンタクト層6がエッチングされてしまうことを防ぐことができる。 Next, as shown in FIG. 13B, the filling material 10 formed on the contact layer 6 is removed by etching (wet or dry) to expose the contact layer 6. Note that the contact layer 6 can be prevented from being etched by selecting the method and conditions so that the embedding material 10 is etched but the contact layer 6 is not etched.
次に図13(C)に示すように、デバイス全面に絶縁層14を形成する。なお、絶縁層14の材料および成膜方法は、図13(A)で示した埋め込み材料10を成膜する場合と同様である。すなわち、SiO2、SiN、SOG(spin on glass)、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)などを、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)などの化学気相体積(CVD)法、スパッタ法、スピンコート法などにより成膜する。絶縁層14の厚さによっては、面発光でレーザ光を取り出すときの反射防止層として絶縁層14を機能させることもできるため、この際に、絶縁層14の厚さを調整すればよい。次に、図13(D)に示すように、絶縁層14において第1電極7を形成する部分を開口14aとするために、フォトリソグラフィーとドライエッチングを行う。この際、埋め込み材料10と絶縁層14の材質を意図的に異なる材料とし、エッチング条件を適切に選択することによって、絶縁層14を選択的にエッチング除去することも可能である。これによって、絶縁層14をエッチングするときに、エッチングを余分に行ったとしても、埋め込み材料10がエッチングされてしまうことを防ぐことができる。 Next, as shown in FIG. 13C, an insulating layer 14 is formed on the entire surface of the device. Note that the material and the deposition method of the insulating layer 14 are the same as those in the case of depositing the embedding material 10 shown in FIG. That is, SiO 2 , SiN, SOG (spin on glass), polyimide, BCB (benzocyclobutene), etc., chemical vapor volume (CVD) such as plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), etc. The film is formed by a method, a sputtering method, a spin coating method, or the like. Depending on the thickness of the insulating layer 14, the insulating layer 14 can function as an antireflection layer when laser light is extracted by surface emission. Therefore, the thickness of the insulating layer 14 may be adjusted at this time. Next, as shown in FIG. 13D, photolithography and dry etching are performed so that a portion of the insulating layer 14 where the first electrode 7 is to be formed is the opening 14a. At this time, it is also possible to selectively etch away the insulating layer 14 by intentionally selecting different materials for the embedding material 10 and the insulating layer 14 and appropriately selecting the etching conditions. Accordingly, even if the etching is performed excessively when the insulating layer 14 is etched, the embedded material 10 can be prevented from being etched.
次に、図13(E)に示すように、フォトリソグラフィーとリフトオフによって第1電極7を形成する。第1電極7としては、p+型GaAsであるコンタクト層6にオーミック接触する材料であればよい。なお、2次元フォトニック結晶構造形成領域の一部(発光面9)は第1電極7により覆われないこととする。それにより、2次元フォトニック結晶構造により回折され垂直方向に放射される光を発光面9から外部に取り出すことができる。図15は本発明の実施の形態における2次元フォトニック結晶面発光レーザの電極の構成を示す平面図であって、図15(A)〜図15(D)はそれぞれ異なる形状の電極の構成を示す平面図である。図15(A)〜図15(D)に示すように、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶構造形成領域27において、電極28を配置すればよい。電極28の形状は、例えば円形または矩形とすればよい。そして、電極28の中央部分には電極が形成されない形状(図15(A)および図15(B)参照)、例えばドーナッツ形状等としてもよいし、電極28をフォトニック結晶構造形成領域27に比べて小さい形状(図15(C)および図15(D)参照)としてもよい。それにより、フォトニック結晶構造形成領域27において、電極28が形成されない箇所が存在し、その箇所から光を取り出すことができる。 Next, as shown in FIG. 13E, the first electrode 7 is formed by photolithography and lift-off. The first electrode 7 may be any material that is in ohmic contact with the contact layer 6 that is p + type GaAs. A part of the two-dimensional photonic crystal structure formation region (light emitting surface 9) is not covered by the first electrode 7. Thereby, the light diffracted by the two-dimensional photonic crystal structure and emitted in the vertical direction can be extracted from the light emitting surface 9 to the outside. FIG. 15 is a plan view showing the configuration of the electrodes of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention. FIGS. 15A to 15D show the configurations of the electrodes having different shapes. FIG. As shown in FIGS. 15A to 15D, the electrode 28 may be disposed in the photonic crystal structure formation region 27 in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. The shape of the electrode 28 may be circular or rectangular, for example. A shape where no electrode is formed in the central portion of the electrode 28 (see FIGS. 15A and 15B), for example, a donut shape, or the like may be used, or the electrode 28 may be compared with the photonic crystal structure formation region 27. It is good also as a small shape (refer FIG.15 (C) and FIG.15 (D)). Thereby, in the photonic crystal structure formation region 27, there is a portion where the electrode 28 is not formed, and light can be extracted from the portion.
さらに、基板1の底面に第2電極8を形成することで、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ100が製造される。 Furthermore, by forming the second electrode 8 on the bottom surface of the substrate 1, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 according to the present embodiment is manufactured.
また、本発明の実施の形態に係る他の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。図16は本発明の実施の形態に係る他の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を説明するための断面工程図であって、図16(A)および図16(B)は各工程図である。本発明の実施の形態に係る他の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、図13(A)に示された工程の後に、図16(A)に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングによって埋め込み材料10の一部に開口10cを形成することでコンタクト層6を露出させる。そして、図16(B)に示すように、開口10cに第1電極7を形成する。そして、基板1の底面に第2電極を形成することで2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する。これにより、図13(C)に示すような、絶縁層14を形成する必要がないことから、製造工程が短縮化されるという効果を奏する。 In addition, another method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 16 is a cross-sectional process diagram for explaining another manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention. FIG. 16 (A) and FIG. FIG. In another two-dimensional photonic crystal surface emitting laser manufacturing method according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 16A, photolithography and etching are performed after the process shown in FIG. Thus, the contact layer 6 is exposed by forming an opening 10c in a part of the embedding material 10. Then, as shown in FIG. 16B, the first electrode 7 is formed in the opening 10c. Then, a second electrode is formed on the bottom surface of the substrate 1 to manufacture a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. Thus, there is no need to form the insulating layer 14 as shown in FIG. 13C, and the manufacturing process is shortened.
また、本発明の実施の形態に係るさらに他の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。図17は本発明の実施の形態に係るさらに他の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を説明するための断面工程図である。本発明の実施の形態に係るさらに他の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、図13(A)の工程において、図17に示すように凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料10を埋め込む際に、凹部すべてに埋め込むのではなく、凹部に空気の部分(空孔10d)を残留させるように埋め込む。本実施の形態では、埋め込み材料10の活性層3側に空気の層が形成される。具体的には、埋め込み方法がCVD法やスパッタを用いる場合は、成膜条件を調整することでこのような埋め込み方は可能である。また、埋め込み方法が、スピンコートの場合は、例えば、埋め込み材料10として粘度が高い材料を使うことでこのような埋め込み方は可能である。また、まず、別基板にスピンコートにより埋め込み材料10を形成しておき、凸部10aが形成されたデバイスにその埋め込み材料10を押し付けて、凸部と凸部との間の凹部の途中まで埋め込み材料10を埋め込むこととしてもよい。なお、凹部における空孔10dの深さは0.1μm以上であって、凹部のすべての深さから0.1μm減じた深さとすればよい。つまり、埋め込み材料10が埋め込まれる量は、凹部に0.1μmだけ埋め込まれた状態と、凹部の底部まで0.1μmしかない状態まで埋め込まれた状態との間とすればよい。埋め込み材料10を埋め込み後は、図13(B)以降に示された工程を行えばよい。これにより、埋め込み材料10の一部に空気を含む、2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。空気の屈折率は一般的に低いことから、この2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された2次元フォトニック結晶構造の屈折率差を大きくすることができる。それにより、2次元フォトニック結晶構造の回折効率が向上する。したがって、2次元フォトニック結晶面発光レーザの低閾値化・高効率化につながる。なお、凹部に不活性ガス等を注入した状態で埋め込み材料10を埋め込むことで、凹部には空気の代わりに不活性ガス等を残留させてもよい。また、空孔10dを真空状態としてもよい。それにより、凸部が酸化により劣化することを防ぐことができる。 Further, another method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 17 is a cross-sectional process diagram for explaining a manufacturing process of still another two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention. In another manufacturing method of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention, in the step of FIG. 13A, as shown in FIG. When embedding the embedding material 10, the embedding material 10 is not embedded in all the recesses, but is embedded so that air portions (holes 10 d) remain in the recesses. In the present embodiment, an air layer is formed on the active layer 3 side of the embedding material 10. Specifically, when the embedding method uses a CVD method or sputtering, such an embedding method is possible by adjusting the film forming conditions. Further, when the embedding method is spin coating, for example, such embedding method is possible by using a material having a high viscosity as the embedding material 10. First, the embedding material 10 is formed on another substrate by spin coating, and the embedding material 10 is pressed against the device on which the convex portion 10a is formed, so that the embedding material 10 is embedded in the middle of the concave portion between the convex portion and the convex portion. The material 10 may be embedded. The depth of the hole 10d in the recess may be 0.1 μm or more, and may be a depth obtained by subtracting 0.1 μm from the entire depth of the recess. In other words, the amount of the embedding material 10 to be embedded may be between a state in which only 0.1 μm is embedded in the recess and a state in which only 0.1 μm is embedded up to the bottom of the recess. After embedding the embedding material 10, the steps shown in FIG. Thereby, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in which air is contained in a part of the embedding material 10 can be manufactured. Since the refractive index of air is generally low, in this two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the refractive index difference between the two-dimensional photonic crystal structures formed in the first cladding layer 5 and the contact layer 6 is increased. Can do. Thereby, the diffraction efficiency of the two-dimensional photonic crystal structure is improved. This leads to lower threshold and higher efficiency of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. In addition, an inert gas or the like may remain in the recess instead of air by embedding the embedding material 10 in a state where an inert gas or the like is injected into the recess. Further, the hole 10d may be in a vacuum state. Thereby, it can prevent that a convex part deteriorates by oxidation.
本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法においては、上述のように、融着を用いずに製造するため、融着を行うことで生じる可能性の高い、デバイスへのダメージが生じず、製造時に不良品が生じる可能性がほとんどない。さらに、融着においては、デバイスに反りやうねりが存在すると行うことはできないという問題もあるが、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法においては、融着を用いないことから、不良品が生じる可能性が低く、歩留まりが高く、容易に製造を行うことができる。また、用いる材料は特に、限定されることがなく、一般的に用いられる材料を使って、容易に、2次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。また、凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料を埋め込んで、第1半導体層(コンタクト層)の上面を平坦化するので、第1半導体層(コンタクト層)上への電極形成を容易に行うことができる。 In the manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present embodiment, as described above, since the manufacturing is performed without using the fusion, it is highly likely to occur by performing the fusion. No damage occurs and there is almost no possibility of defective products during manufacturing. Furthermore, although there is a problem that fusion cannot be performed if there is warping or undulation in the device, fusion is not used in the manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present embodiment. Therefore, the possibility that a defective product is generated is low, the yield is high, and the manufacturing can be easily performed. Further, the material to be used is not particularly limited, and a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be easily manufactured using a commonly used material. In addition, since the upper surface of the first semiconductor layer (contact layer) is flattened by embedding a filling material in the concave portion between the convex portions, it is easy to form an electrode on the first semiconductor layer (contact layer). Can be done.
なお、本発明の実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、図18に示すように、光を基板1側から取り出す構成としてもよい。図18は本発明の実施の形態に係る他の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。具体的には、基板1が取り出す光の波長帯に対して透明な材料とすればよい。そして、例えば、図13(B)に示した工程の後に、第2電極8をコンタクト層6上の全面に形成し、基板1の底面に、取り出す光の波長帯に対して透明な材料である絶縁層14を形成し、その絶縁層14を貫通して基板1と接触する第1電極7を形成すればよい。これにより、基板1側に発光面9が形成された2次元フォトニック結晶面発光レーザが実現できる。なお、図18においては、第1電極7を発光面9の全面に形成せず、開口を有する構成とし、開口からレーザ光が射出される構成とした。しかし、これ以外の構成でもよく、例えば、第1電極7の一部または全部を透明電極とし、開口を形成せずに、発光面9の全面に第1電極7が形成された構成としもよい。これにより、透明電極を介して、レーザ光が射出される。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention may be configured to extract light from the substrate 1 side as shown in FIG. FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of another two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to an embodiment of the present invention. Specifically, a material transparent to the wavelength band of light extracted by the substrate 1 may be used. For example, after the step shown in FIG. 13B, the second electrode 8 is formed on the entire surface of the contact layer 6 and is made of a material transparent to the wavelength band of the light to be extracted on the bottom surface of the substrate 1. The insulating layer 14 is formed, and the first electrode 7 that contacts the substrate 1 through the insulating layer 14 may be formed. Thereby, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in which the light emitting surface 9 is formed on the substrate 1 side can be realized. In FIG. 18, the first electrode 7 is not formed on the entire surface of the light emitting surface 9 but has an opening, and a laser beam is emitted from the opening. However, other configurations may be used. For example, a part or all of the first electrode 7 may be a transparent electrode, and the first electrode 7 may be formed on the entire surface of the light emitting surface 9 without forming an opening. . Thereby, a laser beam is emitted through the transparent electrode.
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。 In order to express the present invention, the present invention has been properly and fully described through the embodiments with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Therefore, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not covered by the claims. To be construed as inclusive.
1、21、31 基板
2、22、32 第2クラッド層
3、23、33 活性層
4、24、34 キャリアストップ層
5,25、35 第1クラッド層
6、26、36 コンタクト層
7 第1電極
8 第2電極
9 発光面
10 埋め込み材料
10a、13 凸部
10b 面
10c、14a 開口
10d 空孔
11 エッチングマスク層
12 レジスト層
14 絶縁層
25a、25b 箇所
27 フォトニック結晶構造形成領域
28 電極
30 材料
100 2次元フォトニック結晶面発光レーザ
101 基板
102 下部クラッド層
103 活性層
104 上部クラッド層
106 下部電極
107 上部電極
108 発光領域
120 2次元フォトニック結晶
121 フォトニック結晶周期構造体
200 2次元フォトニック結晶面発光レーザ
1, 2, 31 Substrate 2, 22, 32 Second cladding layer 3, 23, 33 Active layer 4, 24, 34 Carrier stop layer 5, 25, 35 First cladding layer 6, 26, 36 Contact layer 7 First electrode 8 Second electrode 9 Light emitting surface 10 Embedding material 10a, 13 Protruding portion 10b Surface 10c, 14a Opening 10d Hole 11 Etching mask layer 12 Resist layer 14 Insulating layers 25a, 25b Location 27 Photonic crystal structure forming region 28 Electrode 30 Material 100 Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 101 Substrate 102 Lower cladding layer 103 Active layer 104 Upper cladding layer 106 Lower electrode 107 Upper electrode 108 Light emitting region 120 Two-dimensional photonic crystal 121 Photonic crystal periodic structure 200 Two-dimensional photonic crystal surface Light emitting laser
Claims (8)
前記第1半導体層と、前記第2半導体層とに挟まれ、キャリア注入によって、光を発生する活性層とを備え、
前記第1半導体層は、前記活性層側とは反対側に複数の凸部を有し、前記複数の凸部のうちの全部または一部によって2次元フォトニック結晶構造を形成することを特徴とする2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 First and second semiconductor layers;
An active layer sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and generating light by carrier injection;
The first semiconductor layer has a plurality of protrusions on the side opposite to the active layer side, and a two-dimensional photonic crystal structure is formed by all or a part of the plurality of protrusions. Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
前記第2半導体層における前記活性層側に設けた第2電極とをさらに備え、
前記第1半導体層は、第1クラッド層を有し、
前記第2半導体層は、第2クラッド層を有し、
前記凸部の径は深さ方向に沿って徐々に変化し、
前記活性層側とは反対側で、前記凸部以外の前記第1半導体層には、前記凸部を形成する材料の第1屈折率とは異なる第2屈折率の埋め込み材料が埋め込まれている、請求項1記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 A first electrode provided on a side opposite to the active layer side in the first semiconductor layer;
A second electrode provided on the active layer side of the second semiconductor layer,
The first semiconductor layer has a first cladding layer,
The second semiconductor layer has a second cladding layer;
The diameter of the convex portion gradually changes along the depth direction,
An embedding material having a second refractive index different from the first refractive index of the material forming the convex portion is embedded in the first semiconductor layer other than the convex portion on the side opposite to the active layer side. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 1.
前記第1半導体層において、前記凸部以外の部分の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側FFとし、
前記表面側FFと前記活性層側FFとは異なる値である、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 The ratio of the area occupied by the semiconductor on the main surface opposite to the active layer side of the first semiconductor layer is defined as a surface side FF,
In the first semiconductor layer, when the plane including the bottom surface of the portion other than the convex portion is assumed, the ratio of the area occupied by the semiconductor in the virtual plane is defined as the active layer side FF,
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface side FF and the active layer side FF have different values.
前記活性層上に、第1半導体層を積層した後に、
前記第1半導体層において、複数の凸部のうちの全部または一部によって2次元フォトニック結晶構造を形成するべく、前記活性層側とは反対側に前記複数の凸部を形成する、2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 Laminating an active layer on the second semiconductor layer;
After laminating the first semiconductor layer on the active layer,
In the first semiconductor layer, the plurality of protrusions are formed on the side opposite to the active layer side in order to form a two-dimensional photonic crystal structure by all or part of the plurality of protrusions. A method for manufacturing a photonic crystal surface emitting laser.
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