JP2011134991A - フォトニック結晶発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトニック結晶発光素子に設けられた複数の共振器に対して、効率良く、かつ良好な均一性で電流を注入する。
【解決手段】フォトニック結晶発光素子１００は、３次元フォトニック結晶１１０を用いている。フォトニック結晶は、Ｐ型半導体からなるＰクラッド１３０、活性部を含むＩ部１７０およびＮ型半導体からなるＮクラッド１４０が第１の方向に接合されたＰＩＮ接合構造を有するとともに、該活性部１６０を含む複数の共振器を有する。そして、ＰクラッドおよびＮクラッドにおいて、第１の方向に直交する第２の方向でのキャリアの拡散係数が、第１の方向でのキャリアの拡散係数よりも高い。
【選択図】図２

Description

本発明は、３次元フォトニック結晶を含み、活性媒質にキャリアを注入することにより発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子に関する。

従来の一般的な半導体発光素子は、Ｐクラッド、活性部（Ｉ部）およびＮクラッドから構成されるＰＩＮ接合構造を有する。Ｐクラッドは、正孔が生成されるようにアクセプタがドープされており、Ｎクラッドは電子が生成されるようにドナーがドープされている。生成された両キャリアは、順バイアスをかけることによって活性部に注入される。活性部では両キャリアが結合し、活性部のエネルギーギャップに対応したエネルギーを有する自然放出光を発する。特に、へき界面等により活性部を含むように共振器を形成すると、共振器による光増幅により誘導放出光が発生し、レーザ光が生成される。
ただし、注入されたすべてのキャリアが目的とする波長光の発光に寄与するわけではない。一部のキャリアは、表面再結合等の非発光再結合で消費されたり、目的波長以外の光を発光する再結合によって消費されたりする。そして、このようなキャリアの消費は、効率を低下させる（損失となる）。
非特許文献１には、目的波長以外の光を発光する再結合による損失を低減する方法として、フォトニック結晶により自然放出を制御し、高効率な発光を得る方法が提案されている。フォトニック結晶とは、伝播する光の波長より短い周期で誘電率分布を形成した構造である。非特許文献１にて提案された方法は、フォトニック結晶が有するフォトニックバンドギャップという性質を用い、活性部の近傍に存在可能な光の波長域を制限することにより、目的とする波長以外の自然放出光を抑制するものである。
特許文献１には、フォトニック結晶レーザの構成が開示されている。特許文献１にて開示された構造では、３次元フォトニック結晶中に活性部を形成し、フォトニック結晶の外部に設けた金属電極からコンタクト層を介してフォトニック結晶中にキャリアを注入する。注入されたキャリアは、フォトニック結晶構造中を伝導し、線状欠陥で形成されたキャリア伝導路に接続され、活性部に導かれる。キャリア伝導路は、光導波路を兼ねており、活性部においてキャリア結合により発生した光は、光導波路を介してフォトニック結晶外に取り出される。

特開２００１−２５７４２５号公報

Physical Review Letters、Vol.58、pp.2059、1987年

特許文献１にて開示された構造では、従来の半導体レーザに比べて活性部の体積が小さい。このため、大出力の光源を得るためには複数の共振器を設ける必要がある。複数の共振器を設ける場合、高効率での発光を得るためには、それぞれの共振器に対して均一に電流を注入する必要がある。
特許文献１は、単一の共振器への電流注入方法について開示している。しかしながら、特許文献１のようにドープ濃度の高いキャリア伝導路を通して電流を注入すると、プロセス誤差などによって電気伝導度に差が生じた場合、共振器に注入される電流量が不均一になる。
本発明は、複数の共振器に対して、効率良く、かつ良好な均一性で電流を注入することができるフォトニック結晶発光素子を提供する。

本発明の一側面としてのフォトニック結晶発光素子は、３次元フォトニック結晶を用いている。該フォトニック結晶は、Ｐ型半導体からなるＰクラッド、活性部を含むＩ部およびＮ型半導体からなるＮクラッドが第１の方向に接合されたＰＩＮ接合構造を有するとともに、該活性部を含む複数の共振器を有する。そして、ＰクラッドおよびＮクラッドにおいて、第１の方向に直交する第２の方向でのキャリアの拡散係数が、第１の方向でのキャリアの拡散係数よりも高いことを特徴とする。

本発明によれば、複数の共振器に対して効率良く、かつ良好な均一性で電流を注入することができ、高い効率で大きな発光出力が得られるフォトニック結晶発光素子を実現することができる。

本発明の実施例１であるフォトニック結晶発光素子の構造を示す斜視図。 実施例１のフォトニック結晶発光素子の発光部付近の構造を示す図。 本発明の実施例１の変形例であるフォトニック結晶発光素子の構造を示す斜視図。 本発明の実施例２であるフォトニック結晶発光素子の発光部付近の構造を示す図。 実施例１のフォトニック結晶発光素子の製造方法を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１であるフォトニック結晶発光素子１００の基本周期構造を示している。図２（ａ）は、該フォトニック結晶発光素子１００の発光部付近の構造を、図１中のｚ軸＋方向から見て示す。また、図２（ｂ）は、発光部付近の構造を図１中のｙ軸−方向から見て示す。
発光素子１００は、３次元フォトニック結晶１１０を有する。フォトニック結晶１１０は、ｘ軸の＋方向に順に配置された、P型電極１２０と、Pクラッド１３０と、活性部１６０と絶縁部１７０から構成されるＩ（intrinsic）部と、Nクラッド１４０と、N型電極１５０とを有する。Pクラッド１３０、Ｉ部およびNクラッド１４０は、ＰＩＮ接合構造を構成している。ＰＩＮ接合構造の接合方向（ＰＩＮ接合面に直交する方向）はｘ軸方向（第１の方向）であり、接合方向に直交する方向はｙ軸方向（第２の方向）である。ｚ軸方向も接合方向に直交する方向であるが、本実施例では積層方向（第３の方向）という。
フォトニック結晶１１０は、それぞれｘ軸方向に延びる複数の第１の柱状構造１１１が互いに間隔をあけて、ｙ軸方向に周期的に配置された第１層１０１および第３層１０３を有する。また、フォトニック結晶１１０は、それぞれｙ軸方向に延びる複数の第２の柱状構造１１２が互いに間隔をあけてｘ軸方向に周期的に配置された第２層１０２および第４層１０４を有する。第１層１０１から第４層１０４は、この順でｚ軸方向（積層方向）に積層されてフォトニック結晶１１０の基本周期構造を構成している。３次元フォトニック結晶１１０内では、この基本周期構造が積層方向に繰り返し形成されている。
なお、第１層１０１に含まれる第１の柱状構造１１１と第３層１０３に含まれる第１の柱状構造１１１とはｙ軸方向において互いに半周期ずれて配置されている。また、第２層１０２に含まれる第２の柱状構造１１２と第４層１０４に含まれる第２の柱状構造１１２とはｘ軸方向において互いに半周期ずれて配置されている。
また、フォトニック結晶１１０中には、活性部１６０を含み共振器を形成する複数の点欠陥が設けられており、該複数の点欠陥は、第２の柱状構造１１２に沿って（つまりｙ軸方向に）並ぶように配置されている。また、第２の柱状構造１１２のドープ濃度は、第１の柱状構造１１１のドープ濃度よりも低くなっている。

フォトニック結晶を用いた発光素子では、従来の半導体レーザに比べて活性部の体積が小さいため、大出力を得るために複数の共振器に対して電流を注入する必要がある。そして、これら共振器に均一に電流を注入するには、ＰクラッドおよびＮクラッドにおいてＰＩＮ接合面に平行なｙ軸方向の拡散係数をｘ軸方向の拡散係数に比べて大きくする必要がある。
ＰＩＮ接合面に平行なｙ軸方向の拡散係数が小さいと、プロセス誤差等によって各共振器へのキャリア注入径路における電気伝導度に不均一が生じた場合に、電気伝導度の高い注入径路に電流が集中して流れてしまう。このため、複数の共振器に注入されるキャリアの量が異なってしまい、キャリアが不足する共振器で発振が起こらなかったり、キャリアが余っている共振器でオーバーフローが生じたりして、発光効率が低下する。

通常、半導体においてドープ濃度を高くすると、キャリア間の衝突時間が短くなり、キャリア移動度が下がって拡散係数が低下する。半導体の電気伝導度はキャリア濃度とキャリア移動度の積で決定されるが、一般に、キャリア濃度をＸ倍にしてもキャリア移動度は１／Ｘ倍までは低下しないため、電気伝導度はドープ濃度が高い半導体の方が高くなる。

前述した特許文献１では、ドープ濃度が高いキャリア伝導路を介して単一の共振器に低い抵抗で電流を注入する方法が開示されている。しかし、本実施例のように複数の共振器がある場合は、第１および第２の柱状構造１１１，１１２のドープ濃度を共に高くするよりもＰＩＮ接合面に平行な第２の柱状構造１１２のドープ濃度を下げる、すなわち拡散係数を大きくした方が高効率での発光が得られる。一方、ＰＩＮ接合面に直交する方向に延びて直列抵抗に主に寄与する第１の柱状構造のドープ濃度は高くする、すなわち電気伝導度を高くすることによって高抵抗化を防ぐとよい。
以上のように、本実施例では、ＰＩＮ接合面に平行に延びて主として横方向の拡散に寄与する第２の柱状構造１１２のドープ濃度を低くして拡散係数を上げる。一方、ＰＩＮ接合面に直交する方向に延びて主として直列抵抗に寄与する第１の柱状構造１１１のドープ濃度は高くして拡散係数を下げる。すなわち、Ｐクラッド１３０およびＮクラッド１４０において、ｙ軸方向でのキャリアの拡散係数を、ｘ軸方向でのキャリアの拡散係数よりも高くする。これにより、高効率に、かつ良好な均一性で複数の共振器に対して電流を注入することができる。
本実施例では、３次元フォトニック結晶１１０が、図１に示すいわゆるウッドパイル構造を有する場合について説明したが、本発明における３次元フォトニック結晶は、互いに直交する方向に延びる柱状構造を含む周期構造を有すればよい。本発明を適用可能な３次元フォトニック結晶の他の構造としては、米国特許５３３５２４０号公報や特開２００５−２９２７８７号公報にて開示された構造を含む。これらの公報にて開示された構造では、実施例１にいう第１の柱状構造と第２の柱状構造に相当する柱状構造が互いに異なる層に配置されているため、層毎にドープ濃度を変えればよく、プロセス面から見て有利である。
また、特開２００５−２９２７８７号公報にて開示された構造は、米国特許５３３５２４０号公報にて開示された構造よりも完全フォトニックバンドギャップ帯域が広く、その結果、共振周波数の制御性が高いため、好ましい。
図３には、特開２００５−２９２７８７号公報にて開示された３次元フォトニック結晶１１０′の構造を示している。この構造では、図１に示した基本周期構造の第１層１０１から第４層１０４の間に、付加層１０５が配置されている。付加層１０５は、第１〜第４層１０１〜１０４の各層に平行な面内における第１の柱状構造１１１と第２の柱状構造１１２との立体的な交差位置に離散的に配置された離散構造１１３を含む層を少なくとも１つ含む。
本実施例の発光素子では、各共振器がマルチモードである発光素子に適用することができる。ただし、モードホップが生じた共振器からの発光がノイズとなり、レーザ特性が悪化することを防ぐため、複数の共振器の全てが、フォトニックバンドギャップ帯域内で単一モードである方が好ましい。
また、本実施例の発光素子は、共振により誘導放出を生じさせてレーザ発振を行わせるレーザ発光素子である。ただし、本発明の発光素子は、必ずしもレーザ発光素子である必要はなく、例えば、波長の広がりが小さい高効率な共振器型ＬＥＤであってもよい。
また、３次元フォトニック結晶１１０（１１０′）を構成する半導体としては、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２等を用いることができる。Ｐ型半導体とＮ型半導体は、適切なドーピングを行うことにより形成する。Ｐ型ドーパントとしてはＺｎやＭｇ等を、Ｎ型ドーパントとしてはＳｉやＳ等を用いることができる。ＴｉＯ_２を用いる場合は、強還元によりＰ型領域を形成する。
活性部としては、バルクのＩ型半導体や量子井戸、量子ドット等を用いる。特に、量子ドットを用いると、表面欠陥での非発光再結合を防ぐことができ、また温度特性が優れているため、好ましい。

図４（ａ）は、本発明の実施例２であるフォトニック結晶発光素子２００の発光部付近をｚ軸＋方向から見て示している。図４（ｂ）は、発光部付近をｙ軸−方向から見て示している。図４（ｃ）は、発光部付近をｘ軸−方向から見て示している。図４（ｃ）では図示を省略したが、絶縁部２７０もフォトニック結晶としての構造を有する。なお、図４において、図１中に示した構成要素と同一の構成要素には、図１中の符号と同符号を付している。
本実施例の発光素子２００では、絶縁部２７０の一部に導波路２８０が配置されており、複数の共振器からの出力を合わせてＰＩＮ接合面に平行なｙ軸方向に取り出す。導波路２８０が絶縁部２７０に配置されているため、ＮクラッドやＰクラッドの構造を変形することなく光を取り出すことが可能になり、電流注入の均一性が損なわれない。
図４では、導波路２８０を絶縁部２７０の柱状構造の一部を取り除いた空気欠陥としたが、絶縁体と空気のみから構成される欠陥であればよい。すなわち、絶縁体を新たに付加した絶縁体欠陥であってもよいし、空気欠陥と絶縁体欠陥を組み合わせた構造であってもよい。

次に、本発明の実施例３として、実施例１にて説明したフォトニック結晶発光素子の製造方法について図５を用いて説明する。図５の紙面内にｘ軸とｙ軸をとり、紙面に垂直な方向にｚ軸をとる。
まず（ａ）では、フォトリソグラフィー等の方法によってｘ軸方向に沿ったＩ型半導体の柱状構造３１０を作製する。
次に（ｂ）では、ｘ＞−ａの領域をＳｉＯ_２等の材料により形成したマスクで覆い、ｘ＜−ａの領域３１１にＺｎ等の不純物イオンを注入して伝導型をＰ型とする。
次に（ｃ）では、ｘ＜ａの領域をマスクで覆い、ｘ＞ａの領域３１２に選択的にＳｉ等の不純物イオンを注入して伝導型をＮ型とする。これにより、−ａ＜ｘ＜ａの領域３１３がＩ部になる。
次に（ｄ）では、フォトリソグラフィー等によってｙ軸方向に沿ったＩ型半導体の柱状構造３２０を作製し、ｘ＜−ａの領域３２１をＰ型半導体とし、ｘ＞ａの領域３２２をＮ型半導体とする。このとき、領域３２１，３２２のそれぞれに注入する不純物の濃度を、領域３１１，３１２に注入する不純物の濃度よりも低くする。−ａ＜ｘ＜ａの領域３２３が、Ｉ部になる。これにより、領域３２１，３２２のドープ濃度をそれぞれ、領域３１１，３１２のドープ濃度よりも低くすることができる。
次に（ｅ）では、柱状構造３１０，３２０を互いに接触させて加熱することにより接合する。（ａ）から（ｅ）のプロセスを繰り返すことで、層毎にドープ濃度を調整することができる。
これにより、ＰＩＮ接合面に直交する方向（ｘ軸方向）に延びる柱状構造３１０のドープ濃度よりも、ＰＩＮ接合面に平行な方向（ｙ軸方向）に延びる柱状構造３２０のドープ濃度が低い３次元フォトニック結晶発光素子を製作することができる。
活性部３３０を形成するには、一度、活性部３３０以外のパターンを形成した後、活性部３３０を、例えば電子ビーム照射による誘起化学気相堆積によって形成すればよい。このとき、活性部３３０は、Ｉ部３１３の一部において柱状構造３２０に沿った複数の欠陥に形成する（ｆ）。
また、電極は、３次元フォトニック結晶の製作後、側面から蒸着法等の方法によって製作すればよい。
実施例２のフォトニック結晶発光素子も、図５に示したプロセスに、絶縁部（Ｉ部）の柱状構造の一部を取り除いた空気欠陥を形成して導波路とする工程を加えることで、製造することができる。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

高効率で大出力のフォトニック結晶発光素子を提供できる。

１００，２００ フォトニック結晶発光素子
１１０ ３次元フォトニック結晶
１１１，１１２ 柱状構造
１３０ Ｐクラッド
１４０ Ｎクラッド
１６０ 活性部
１７０，２７０ 絶縁部

Claims (6)

1. ３次元フォトニック結晶を用いた発光素子であって、
   前記フォトニック結晶は、Ｐ型半導体からなるＰクラッド、活性部を含むＩ部およびＮ型半導体からなるＮクラッドが第１の方向に接合されたＰＩＮ接合構造を有するとともに、前記活性部を含む複数の共振器を有し、
   前記Ｐクラッドおよび前記Ｎクラッドにおいて、前記第１の方向に直交する第２の方向でのキャリアの拡散係数が、前記第１の方向でのキャリアの拡散係数よりも高いことを特徴とするフォトニック結晶発光素子。
2. 前記フォトニック結晶は、前記第１の方向に延びる第１の柱状構造と、前記第２の方向に延びる第２の柱状構造とを有し、前記複数の共振器は、前記第２の方向に並べられており、
   前記第２の柱状構造のドープ濃度は、前記第１の柱状構造のドープ濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶発光素子。
3. 前記３次元フォトニック結晶は、
   それぞれ前記第１の方向に延びる複数の前記第１の柱状構造が互いに間隔をあけて、前記第２の方向に周期的に配置された第１層および第３層と、
   それぞれ前記第２の方向に延びる複数の前記第２の柱状構造が互いに間隔をあけて、前記第１の方向に周期的に配置された第２層および第４層とを有し、
   前記第１層に含まれる前記第１の柱状構造と前記第３層に含まれる前記第１の柱状構造とが前記第２の方向において互いに半周期ずれて配置され、かつ前記第２層に含まれる前記第２の柱状構造と前記第４層に含まれる前記第２の柱状構造とが前記第１の方向において互いに半周期ずれて配置されており、
   前記第１層から前記第４層がこの順で積層されて構成された３次元フォトニック結晶であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶発光素子。
4. 前記第１層から前記第４層の間に、該各層に平行な面内における前記第１の柱状構造と前記第２の柱状構造との立体的な交差位置に離散的に配置された構造を含む層を少なくとも１つ含む付加層が配置されていることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶発光素子。
5. 前記Ｉ部は絶縁部を有し、
   該絶縁部に、前記第２の方向に光を取り出す導波路が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶発光素子。
6. 前記複数の共振器の全てが、フォトニックバンドギャップ帯域内で単一モードであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶発光素子。