JP2014027264A - 面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】素子の熱特性の改善を図ることができ、発振モードへの影響が低減され、特に１次元的な発振を抑制することが可能となる面発光レーザを提供する。

【解決手段】活性層と、該活性層からの光と結合する位置に設けられた低屈折率媒質と高屈折率媒質で構成される屈折率が周期的な変化している周期構造の層と、該活性層に通電するための１対の電極と、を有する面発光レーザであって、
前記周期構造の層は、該周期構造が正方格子に構成され、
前記電極の少なくとも一方が、１本以上の線状電極を備え、
前記周期構造における基本格子ベクトル方向と、前記線状電極の長軸方向とが、異なっている構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子に関するものである。

近年、面発光レーザが盛んに研究されている。面発光レーザ（ＳＥＬ：Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、集積化アレイ化が容易、低コスト、高信頼、外部光学系との結合効率が優れているなどの利点があり、通信、電子写真、センシングなどの分野に応用が期待されている。
特に、赤外線短距離通信などの通信分野においては、面発光レーザはすでに実用化されている。面発光レーザには何種類かの方式が存在するが、その中の一つとして、レーザに低屈折率媒質と高屈折率媒質で構成される屈折率が周期的に変化している周期構造を設け、共振器としたものがある。
これは基板に平行な方向に光を共振させ、発振したレーザ光を、基板に垂直方向に回折させて取り出すことで面発光機能を持たせるレーザ素子である。このようなレーザは、現在世の中で広く用いられているＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザの一形態である。

特許文献１には、このような面発光レーザとして、２次元屈折率周期構造であるフォトニック結晶の回折効果を用いたレーザ素子およびその製造法が開示されている。
このレーザ素子は、半導体レーザの活性層近傍にフォトニック結晶を導入し、活性層内部で発光した光をフォトニック結晶の２次回折効果により面内方向で発振させる。
そして、発振したレーザ光を、同一フォトニック結晶の１次回折により、面垂直方向に取り出すというものである。
このような面発光レーザは、主に大面積のコヒーレント光源としての特性を重視されているため、ｐ電極もそれに合わせて大面積の電極を用いることになる。

特開２００９−２０６１５７号公報

しかしながら、このような大面積の電極においては、電極の中央部分直下に熱が集中しやすく、活性層温度が上昇することから素子熱特性の観点からはさらに改良の余地がある。
これらに対処するため、電極を一様な板状電極とせず、電極内部に電流注入不可（または注入を弱めてやる）領域を作る事が有効であることが見出された。
その際、注入不可領域では共振光が利得を得られなくなるため、その設け方を工夫しないと、レーザ発振に影響を及ぼすことになる。
２次元フォトニック結晶レーザの場合、主に縦方向と横方向の共振光成分を有するが、光の共振光に対して利得をなるべく等方的および空間的に等しくしないと、どちらか一方の共振モードで１次元的に発振され易くなる。

本発明は、上記課題をに鑑み、素子の熱特性の改善を図ることができ、発振モードへの影響が低減され、特に１次元的な発振を抑制することが可能となる面発光レーザを提供することを目的とする。

本発明の面発光レーザは、活性層と、該活性層からの光と結合する位置に設けられた低屈折率媒質と高屈折率媒質で構成される周期構造の層と、該活性層に通電するための１対の電極と、を有する面発光レーザであって、
前記周期構造の層は、該周期構造が正方格子に構成され、
前記電極の少なくとも一方が、１本以上の線状電極を備え、
前記周期構造における基本格子ベクトル方向と、前記線状電極の長軸方向とが、異なっていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、
活性層と、該活性層からの光と結合する位置に設けられた低屈折率媒質と高屈折率媒質で構成される周期構造の層と、該活性層に通電するための１対の電極と、を有する面発光レーザであって、
前記周期構造の層は、該周期構造が正方格子に構成され、
前記電極の少なくとも一方が、線状電極を２方向から２本以上並べて形成された格子状構造を反転させた構造による島状電極を備え、
前記周期構造と前記島状電極との基本格子ベクトル方向が、互いに異なっていることを特徴とする。

本発明によれば、素子の熱特性の改善を図ることができ、発振モードへの影響が低減され、特に１次元的な発振を抑制することが可能となる面発光レーザを得ることができる。

本発明の実施形態１における面発光レーザ素子の構成例を説明する図である。 本発明の実施形態１における熱特性を改善のメカニズムに関して説明する図である。 本発明の実施形態１における利得の等方性および均一性について説明する図である。 本発明の実施形態１における利得の等方性および均一性について説明する図である。 本発明の実施形態１における上部コンタクト電極の別の形態の例による構造について説明する図である。 本発明の実施形態２における面発光レーザ素子の電極の構成例を説明する図である。 本発明の実施例１における面発光レーザ素子の構成例を説明する図である。 本発明の実施例３における面発光レーザ素子の構成例を説明する図である。 本発明の実施例４における面発光レーザ素子の構成例を説明する図である。

つぎに、本発明の実施形態における面発光レーザ素子について説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１における面発光レーザ素子の構成例を、図１を用いて説明する。
図１（ａ）には、素子の全体の主要構成を示す模式的断面図が記載されている。本実施形態に係る面発光レーザは、基板０１０１、下部クラッド層０１０２、下部光ガイド層０１０３、活性層０１０４、上部光ガイド層０１０５、フォトニック結晶層０１０６、上部クラッド層０１０７が順に積層されている。
また、基板０１０１の裏側には、基板側から順に下部コンタクト電極０１０８、下部ＰＡＤ電極０１０９が設けられている。
上部クラッド層０１０７の上には、絶縁層０１１０および上部コンタクト電極０１１１が交互に設けられ、その上に０１１２上部ＰＡＤ電極が設けられている。図１（ｂ）には、
素子を図１（ａ）の線ａ−ａ’部よりｘｙ平面に平行に切った場合の断面図が記載されている。
本実施形態においては図のように、上部コンタクト電極０１１１はストライプ状になっており、上部コンタクト電極０１１１のそれぞれは、絶縁層０１１０で隔てられている。
図１（ｃ）には、素子を図１（ａ）の線ｂ−ｂ’部よりｘｙ平面に平行に切った場合の断面図が記載されている。フォトニック結晶空孔０１１３は、格子の基本ベクトルの方向が、上部コンタクト電極の長軸方向の向きと異なるよう配置されている。本実施形態においては、２次元に屈折率が周期的に変化している周期構造であるフォトニック結晶は上部クラッド層中に設けられている。

本実施形態の上部コンタクト電極０１０７は、つぎのような構成を備えている。本実施形態のレーザ素子は、ｎ、ｐ１対の電極より電流注入することで駆動する。
本実施形態においては、素子の上部コンタクト電極０１１１を図１（ｂ）のような、線状電極を１方向から並べ構成されたストライプ構造とし、それらの長軸方向をフォトニック結晶格子の基本ベクトルと異なる方向に配置していることを特徴としている。
線状電極は少なくとも１本以上は必要であり、好ましくは２本以上必要である。このような形態をとることで、素子の熱特性を改善しながら、フォトニック結晶の１次元的な発振を抑制することができる。

以下、その熱特性を改善のメカニズムに関して説明する。
図２（ａ）に上部コンタクト電極と、下の活性層の温度分布の関係を表す模式図を示す。この場合、電極と活性層温度の関係は、図１のような線状のものに限らず、レーザ素子に用いる電極に関して一般的に成り立つものである。
０２０１は活性層温度曲線、０２１２は上部コンタクト電極であり、温度曲線がコンタクト電極のどの部分に対応しているかを示すためのものである。
０２０２はヒートシンクである。この場合はコンタクト電極の上部に設けられているＰＡＤ電極が同時にヒートシンクとしての役割も果たしている場合を仮定している。
０２０３は、通電により発熱する領域を表しており、０２０４は発熱領域からヒートシンクへの熱流の向きを模式的に表した矢印である。

図２（ａ）中の０２０１のように、活性層温度は電極中央部下で最も高くなり、端部に近づく程低くなる分布を示す。
発生した熱は０２０４のように広がりながらヒートシンクに排熱されるため、電極端部では熱の発生していない電極の周辺部まで熱が逃げていく。
従って、発熱と排熱とのバランスを考えると、端部では中央部よりも排熱の割合が大きくなり、０２０１のような分布を示す。
このため、電極に端部となる部分が多くなる構成程排熱性が大きくなり、熱特性が改善する。尚、０２０４の熱流の向きは、数本の矢印で代表されているが、実際は発熱領域の全ての場所より熱が放散している。

上記の理由により、電流密度が等しい、すなわち発熱密度が等しい場合には、正方形または円形の電極を一つ置くより、電極の内部に通電しない領域を設けるなど、なるべく端部となる部位の割合を増やす方が、放熱性の観点からは有利となる。例えば、図２（ｂ）のように、ストライプ状に絶縁層を設けて電流注入不可領域を作った方が排熱性は良くなる。また、図２（ｃ）のように電極の内部に注入不可領域を作っても良い。
但し、熱の広がりの大きさに対して、通電領域の面積の割合が重要となる。例えば放熱フィンのように、内部に細かい注入不可領域を無数に設け、端部の面積を限りなく上げることも可能であるが、この構造が熱の広がりに対して無視できるほど小さいと効果は得られない。
熱の実効的な広がりは通電により発生した熱が、ヒートシンクに排熱されるまでの広がり
大きさが目安であり、これらはヒートシンクから発熱領域がどれくらい離れているかに依存する。
半導体レーザの場合、発熱源となるのは活性層およびその上層のｐ層の領域である。図２（ａ）のような配置をとると、ヒートシンクより最も離れている発熱領域である活性層とヒートシンクとの距離で熱の広がりが決定される。

次に、利得の等方性および均一性について説明する。
上記図２（ｂ）、（ｃ）のような電極を用いると、排熱性は改善するが、もう一つの課題が残る。それは、電極の形状およびそれがフォトニック結晶層とどういう位置関係となるかで、光利得の分布が変わってくるため、発振に与える影響も変わってくるという課題である。
図３（ａ）、（ｂ）は、図２（ｂ）、（ｃ）の電極をそれぞれフォトニック結晶に対して組み合わせたときの位置関係を表す図である。ここでフォトニック結晶は、図のような四角格子を用いている。フォトニック結晶ＳＥＬにおいては、ＴＥ、ＴＭモード共に主な共振は図のｘ方向、ｙ方向となる。
そのため図３（ａ）のストライプ電極とフォトニック結晶との位置関係では、一方向の共振のみの利得が大きくなり、ｘ方向の一次元的共振のみが電極の直下だけで起こる恐れがある。
また、図３（ｂ）のような電極とフォトニック結晶との位置関係だと、それぞれ局所的に一方向の利得が大きくなり、ｘ方向、ｙ方向の一次元共振がそれぞれ電極の直下だけで起こる恐れがある。
そこで、例えば図４（ａ）のように、ストライプ電極の長軸方向とフォトニック結晶の基本格子ベクトル方向とを異なる配置とする。
このようにすると、図４（ａ）の０４１５のようなｙ方向の共振を考えた場合、共振光が感じる利得の異方性が緩和される。

また、フォトニック結晶形成領域のｘ方向の端から端までで、共振光に対する利得の量の差が空間的に少なくなる。ｘ方向の共振に関しても同様である。
さらに、好ましい例として、電極の長軸方向とフォトニック結晶のなす角度を４５°とした場合は、利得が等方的となり、なおかつ全ての格子方向の共振光に対して利得が等しくなる。後者の場合を特に利得が共振光に対して空間的に均一となると定義する。従って、このような構成を取ることで、放熱性を改善しながら、１次元的な発振を防ぐことができる。
尚、利得の分布は共振方向に対しても、あらゆる位置で均一の方が好ましい。
その観点からは電極ピッチは可能な限り細かい方が好ましい。但し、このピッチを限りなく細かくしてしまうとそれは単なる一枚の平板電極となってしまうため、それには限界があるが、光の回折の度合いを表す結合係数および吸収などのパラメータを調整することで、ある程度の粗いピッチでも効果を出すことが可能である。
尚、ここでは上部コンタクト電極は周期的に並んだストライプを想定しているが、必ずしも周期的でなくても良い。
基本格子ベクトルは通常周期構造に対して定義されるものであるが、ここではその使用域を拡大し、電極が並んでいる方向のベクトルという意味で使用する。

つぎに、本実施形態におけるフォトニック結晶と電極のなす角度について、説明する。本実施形態においては、光の利得を２つの共振方向に対してなるべく等方的にした方が好ましいため、上述のようにフォトニック結晶の基本格子ベクトル方向と電極の長軸方向のなす角度θは４５°であることが最も好ましい。
しかし、そこからずれていたとしても、基本格子ベクトル方向と同一方向（なす角０°）になっていなければ効果を得ることはできる。
フォトニック結晶の基本格子ベクトル方向と電極の長軸方向のなす角度θは、４５°と０
°との中間である４５±２２．５°を含む２２．５°≦θ≦６７．５°の範囲であることが好ましい。また、フォトニック結晶の基本格子ベクトル方向と電極の長軸方向のなす角度θは、より好ましくは、３５°≦θ≦５５°、さらに好ましくは４０°≦θ≦５０°とすることができる。

本実施形態におけるストライプ電極の幅と間隔に関しては、熱と光の観点からそれぞれ設計される。
以下に、本実施形態における電極の幅と間隔の設計指針について説明する。
まず、熱の観点からの設計指針について説明する。
排熱性を考慮した場合、電極の幅に関しては細ければ細い程好ましいと言える。但し、言うまでもなく、電流の抵抗が大幅に上がってしまうほど細くするのは好ましくない。
また、細くすればする程、実際に作製する際のプロセス条件は厳しくなる。
電極の間隔は、離れていれば離れている程、排熱性の観点からは好ましいと言える。
但し、ある一定の距離以上離れると、両電極の間にほとんど熱的な干渉は起こらず、個々の電極が独立で存在しているのと同様の状況になるため、それ以上離しても性能に特段好影響を及ぼすことはない。
上記一定距離はシミュレーションなどによると、ヒートシンク−活性層間の距離をｄとした場合、好ましくは４ｄ、より好ましくは８ｄ、さらに好ましくは１２ｄである。

次に、光結合の観点からの設計指針について説明する。
ある電極直下の活性層より生じた光は、回折、吸収を受けながら活性層中を伝搬していく。
但し、電極の間隔に対して回折の値が大きく、上記光が隣の電極部に到達する前に全て回折され折り返されてしまう、または吸収されてしまうような場合は、隣合う電極同士から生じた光が結合せず、局所的に発振してしまう恐れがある。
これを防ぐためには、なるべく電極間隔を小さくすることが必要である。
方針としては、回折、吸収の大きさに対して電極間隔と電極幅が広くなりすぎないよう調整する必要がある。

次に、その他電極の設計指針について説明する。
本実施形態における線状電極のパラメータは、次のように設定することも可能である。
前述したように、フォトニック結晶形成領域の端から端まで全領域で、共振光が感じる利得の大きさの異方性は少ない方が好ましいが、さらに好ましくは全く同一であることである。
図４（ｂ）は、図４（ａ）のフォトニック結晶形成領域を、電極部に重ね点線で表したものである。この時共振光が感じる利得の大きさを全フォトニック結晶形成領域で同一とするためには、ｘ、ｙ方向の共振光が通過する領域の上方に位置する電極の長さの合計が、全領域で等しければよい。
その場合は、幾何的条件からフォトニック結晶領域の対辺の位置に電極の端部が位置することになる。こうすることで、全ての領域のｘ、ｙ方向の共振光に対して通過する電極の長さが等しくなり、好ましい様態となる。
電極が周期的な場合、電極の幅Ｗ_１、電極間隔Ｗ_２、フォトニック結晶の形成領域を一辺がＬの正方形とする。
そして、電極長軸方向と正方格子フォトニック結晶の基本格子ベクトル方向との角度が４５°で、Ｎを正の整数として以下の関係式が同時に成り立つことが必要である。

√２Ｎ（Ｗ１＋Ｗ２）＝Ｌ

以上の本実施形態の説明では、上部コンタクト電極にはストライプの構造を採用したが、他の構造をとることも可能である。
例えば、図５（ａ）のように、上部コンタクト電極０５１２が、線状電極を２方向から交差させ、格子状とした構造などを取ることも可能である。この場合絶縁層０５０９は、図のような正方形、あるいは長方形となる。また交差させる方向を周期方向同士で９０°以外にした場合は、ひし形や平行四辺形となることもある。また該格子状電極の場合は、交差させる２方向のストライプの間隔は、等しくてもよいし、互いに異なっていても良い。

また、図５（ｂ）のような、格子状構造を反転させた構造、すなわち正方形、長方形、平行四辺形、さらにはドット状などの島状電極が並べられた構成をとることも可能である。
但し、この場合には、面内における利得の均一性の面で、効果の度合いは小さくなってしまう。
さらに、本発明においては、素子の積層方向についても新たな構成をとることも可能である。
図５（ｃ）は素子の活性層よりも上側の部分を主に示した模式的断面図である。図１（ａ）の素子の層構成を表す図に対して、活性層０５０４と上部コンタクト電極０５１１の間に、絶縁領域０５１６が新たに設けられている。
これは図１（ａ）における絶縁層０１１０を素子の内部層の中に入れ込んだものという事ができる。本発明においては、本質的には電流の注入経路（＝発熱源）が今まで述べた電極形状と同様の形状となっていれば良い。
よって、電極形状はシート状のままその下部の絶縁領域０５１６を、上述したような線状領域により構成されるストライプ状、格子状などの形状とし、その形状の電流経路を形成することで、本発明の効果を得ることができる。
但し、この場合には、絶縁領域までは通電による発熱が素子全面で生じるため、熱特性は本実施形態のものよりも劣る。また、素子の抵抗も増加傾向となる。

本実施形態の素子の層構成は、通常の半導体レーザに用いられるあらゆる構成を用いることができる。
典型的には、活性層は光ガイド層により挟持され、さらに光ガイド層に隣接してクラッド層が設けられる。活性層には単一・多重量子井戸構造、量子ドット構造などを用いることができる。
光ガイド層またはクラッド層の内部及び界面に、電流ブロック層を導入することも可能である。
また、化合物半導体レーザの場合、ｐ層側のコンタクト電極の下部に、電極との電気的接触状況を良くするためハイドープのコンタクト層を導入できる。

また、本実施形態の素子においては、駆動用電極の間の領域では、駆動用電極からは直接電流注入されないため、活性層による光吸収損失が生じる。
この時、電流注入されない、すなわち本実施形態における絶縁層０５０９または、絶縁領域０５１６の直下に位置する部分のみ活性層を取り除き、吸収を生じさせないようにすることも可能である。
この場合、作製工程に活性層除去、その後の結晶再成長などが加わることで工程が複雑化するが、光吸収が低減されるため素子低閾値化などには有利になる。
また、本実施形態においては、フォトニック結晶は正方格子に配列したものを用いたが、４角格子の別形態である長方格子のフォトニック結晶を用いることも可能である。
また、フォトニック結晶は固体媒質に空孔を設けたものを用いたが、低屈折率媒質と高屈折率媒質の屈折率周期構造となっていれば良く、空孔と個体媒質の配置を反転したものや、別の屈折率の異なる媒質を充填することも可能である。

図２（ａ）で見られるように、本実施形態で得られる熱特性の改善度合いは、発熱領域である通電域が、放熱部材への熱流の広がりに対して小さい程大きくなる。そうなること
で、発熱領域に対して、放熱領域の面積が大きくなるためである。
逆に電流が大きく広がってしまうと、例えば図２（ｂ）のような電極を用いて電流経路を成形しても、すぐに電流が広がって均一に近い状態となり、本発明の効果は弱まる。
従って本実施形態では、電流の広がりを抑えるため上部クラッド層０５０７の電気抵抗はある程度高い方が効果が出やすい。
実際の構成として半導体レーザの場合には、電気抵抗が高くなるｐ層側に本実施形態のような電極を設けることが好ましい。
また、フォトニック結晶はその電流が均一にならない部位に位置することが必要であるので、化合物半導体ではフォトニック結晶はｐ層側に設けることがやはり好ましい。
尚、電気抵抗が大きいと発熱量は大きくなるため、抵抗を意図的に高めることは好ましくない。半導体レーザである以上ｐ層は必ず入るため、本実施形態では、むしろその抵抗高さを利用する目的で、前述の電極構造を採用している。
また、光の取り出し効率を高めるために、光の伝播経路に存在する部材（本実施形態においては絶縁層０１１０、上部コンタクト電極０１１１、上部ＰＡＤ電極０１１２）の材料の透過率は、発生する光の波長に対して高いことが好ましい。例えば、透過率の観点から絶縁層に採用する材料としてはＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などを用いることができる。また、透過率の観点から電極に採用する材料としてはＩＴＯなどの透明電極を用いることができる。
また、本実施形態で最も効果を発揮する実装方法は、上部コンタクト電極を直接放熱部材にマウントする、いわゆるジャンクションダウン実装である。
但し、効果は弱まるが、通常の半導体レーザで用いられているように基板側をマウントして実装を行うことも可能である。

（実施形態２）
本発明の実施形態２における面発光レーザ素子の構成例を、図６を用いて説明する。
本実施形態は、実施形態１で述べたレーザ駆動用の上部コンタクト電極（第１の電極）に加えて、その間に第２の電極である活性層による吸収低減のための補助電極を設けて構成される。
本実施形態の面発光レーザ素子は、図６に示すように上部駆動用コンタクト電極０６１２の間に、吸収低減用コンタクト電極０６１６が設けられている。
前述した駆動用電極から直接電流注入されない、活性層による光吸収損失が生じる領域において、損失を低減するため本実施形態では、吸収低減用電極より活性層における光吸収を低減またはなくす程度の低密度電流を注入する。
このとき注入する電流は駆動用電流よりもずっと密度が低いため、発生する熱も駆動用電流によるものよりもずっと小さくなる。

本実施形態における吸収低減用コンタクト電極は、駆動用コンタクト電極が実施形態１で述べたような別形状の電極（格子状、その反転パターンなど）の場合にも適用することができる。
その場合、実施形態１に挙げた上部コンタクト電極の間の領域に形成される。
また、本実施形態においては、駆動用電極に高電気抵抗部を設けることで、吸収低減用電極を用いるのと同質の効果を得ることもできる。
本実施形態の最初の例では、駆動用電極と吸収低減用電極を用いて独立に電流注入したが、駆動用電極に高電気抵抗部を設けることでその部分の電流注入密度が少なくなるため、吸収低減用電極を用いたのと同質の効果が得られる。
このような例としては、上部電極自体を弱く酸化する、不純物を混ぜて高抵抗化するなどの方法で高抵抗部を得ることが可能である。
さらに、本実施形態においては、素子内部に注入電流密度低減領域を設けることで効果を得ることも可能である。
これは実施形態１で述べた図５（ｃ）の構成で、絶縁領域０５１６の電気抵抗を下げ、絶
縁まではせずに高電気抵抗領域として用いることで実現することができる。この時電流注入領域として、電流密度が大きい第１の領域と、小さい第２の領域を形成することが可能である。
この場合は、電流が素子内部の高抵抗領域に達するまでは素子表面全面に注入されるため、奏する効果としては、吸収低減用電極を用いた場合や、駆動用電極の抵抗で制御する場合よりも小さくなる。
上記上部コンタクト電極の高電気抵抗部、素子内部の高電気抵抗領域に関しても、電流注入領域の制御をすることが目的であるため、全て図６の吸収低減用コンタクト電極と同様の配置で設けられる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した面発光レーザ素子の構成例について、図７を用いて説明する。
図７（ａ）には、素子の全体構成を示す断面図が記載されている。
は基板０７０１であり、その上に下地層０７１４が設けられている。
更に、その上に下部クラッド層０７０２、下部光ガイド層０７０３、活性層０７０４、上部光ガイド層０７０５、電子ブロック層０７１５、フォトニック結晶層０７０６、上部クラッド層０７０７、コンタクト層０７１６の順に積層されている。
基板の裏側には、基板側から順に下部コンタクト電極０７０８、下部ＰＡＤ電極０７０９が設けられている。
コンタクト層の上には、絶縁層０７１０および上部コンタクト電極０７１１が交互に設けられ、その上に上部ＰＡＤ電極０７１２が設けられている。
図７（ｂ）には、素子を図７（ａ）の線ａ−ａ’部よりｘｙ平面に平行に切った場合の断面図が記載されている。

本実施例においては図のように、上部コンタクト電極０７１１はストライプ状になっており、間の絶縁層０７１０で隔てられている。
図７（ｃ）には、素子を図７（ａ）の線ｂ−ｂ’部よりｘｙ平面に平行に切った場合の断面図が記載されている。
フォトニック結晶空孔０７１３は、正方格子のフォトニック結晶を形成しており、格子の基本ベクトルの方向が、上部コンタクト電極の長軸方向の向きと４５°の角度をなすよう配置されている。

本実施例においては、素子は窒化ガリウム系の材料を用いて構成されている。基板０７０１にはｎ型ＧａＮ基板を用いており、厚さは４００μｍである。
下地層０７１４はｎ型ＧａＮで厚さがおよそ６μｍ、下部クラッド層０７０２はｎ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎであり厚さ８００ｎｍ、下部光ガイド層０７０３はｎ型ＧａＮで厚さ８０ｎｍである。
活性層０７０４はＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を用いており、井戸層はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎで厚さ３ｎｍ、バリア層はＧａＮで厚さ５ｎｍ、井戸数は３となっている。また、活性層はアンドープとなっている。
上部光ガイド層０７０５はアンドープのＧａＮを用いており厚さは８０ｎｍ、電子ブロック層０７１５はｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎであり厚さ２０ｎｍである。また、フォトニック結晶層０７０６は、上部クラッド層０７０７中に形成されており厚さ２４０ｎｍ、上部クラッド層０７０７はｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎで厚さは３５０ｎｍである。
フォトニック結晶層の下端部は、電子ブロック層よりも７０ｎｍ上部に形成されている。その上のコンタクト層０７１６は、ハイドープのｐ型ＧａＮであり、厚さは１１０ｎｍである。
ｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮはともにＳｉドーピング、ドープ濃度はそれぞれ３×１０^１９ｃｍ^−１、２×１０^１９ｃｍ^−１である。ｐ型ＡｌＧａＮ、ハイドープｐ型ＧａＮはともにＭｇドーピング、ドープ濃度はそれぞれ２×１０^１９ｃｍ^−１、１×１０^２０ｃｍ^−１である。

絶縁層０７１０はＳｉＯ_２を用いており厚さ８０ｎｍである。
下部コンタクト電極０７０８は基板側よりＴｉ／Ａｌとなっており、それぞれ厚さは１０／２０ｎｍである。下部ＰＡＤ電極０７０９はＴｉ／Ａｕであり、それぞれ厚さは１０／３００ｎｍである。
上部コンタクト電極０７１１はＮｉ／Ａｕであり、それぞれ厚さは１０／４０ｎｍである。
上部ＰＡＤ電極０７１２はＴｉ／Ａｕであり、それぞれ厚さは３０／４００ｎｍである。フォトニック結晶は正方格子であり、パラメータは、格子定数１６０ｎｍ、孔径３５ｎｍ、孔深さは２４０ｎｍであり、ｘｙ面内１５０μｍ×１５０μｍの領域に渡り形成されている。

本実施例における、上部コンタクト電極構造に関して以下に説明する。
本実施例では上部コンタクト電極０７１１はストライプ型となっており、電極の幅は２μｍ、間隔は６μｍである。
本実施例におけるレーザ素子に通電すると、面発光型のレーザ光が得られる。
そして、ストライプ型の電極が、正方格子のフォトニック結晶に対して、電極の長軸方向が４５°となるよう形成されていることから、素子の熱特性（排熱性）を良くしながら、レーザの１次元的発振を抑制する効果がある。
これらの詳細な理由については、既に本発明の実施形態において説明されている。さらに、前述したように、排熱の観点から考えると電極幅は細い方が好ましい。実際にはプロセスの困難性を考えると、５μｍ以下、１μｍ以上が好ましいと言える。
電極の間隔に関しては、間隔は大きい程好ましいが、ある程度の大きさがあればそれ以上大きくしても効果に特段の差はない。
本実施例の形態では、およそ６μｍ以上で十分である。

また、光の結合から考えると、電極幅および間隔は、大きすぎると電極下同士の光が結合しないため好ましくない。
光が結合する条件に関しては、光が回折を受ける目安である結合係数κと光の吸収係数αを考えると、電極間隔がおよそ＜１／（κ＋α）となるあたりが目安である。
本実施例の構造においてはκ〜６５０、α〜９０ｃｍ^−１であり、電極周期は〜１４μｍ以下であることが好ましい。
尚、このκの値は、フォトニック結晶層の設計により調整することが可能である。
以上まとめると、本実施例では電極幅５μｍ以下、１μｍ以上、電極間隔６μｍ以上、電極１４μｍ以下が好ましく、本実施例のパラメータはこの範囲に入っている。

最後に、本実施例のレーザ素子の作製方法について説明する。
本実施例のレーザ素子は、結晶成長、スパッタリングなどの製膜工程、フォトリソグラフィー、ＥＢリソグラフィーなどのパターニング工程、さらにウェット・ドライエッチングなどのエッチング工程、蒸着、リフトオフなどの電極形成工程などを用いて製造することができる。
まず、ＧａＮ基板上に結晶成長を用い、下地層、下部クラッド層、下部光ガイド層、活性層、上部光ガイド層、電子ブロック層、上部クラッド層の途中のフォトニック結晶層（孔形成前）までをエピタキシャル成長する。
その後、ＥＢリソグラフィー、ドライエッチングによりフォトニック結晶を形成し、その後結晶の再成長によりフォトニック結晶を埋め込んだ後、上部クラッド層の残部、コンタ
クト層を成長させる。
その後、下部電極、上部電極をフォトリソグラフィー、蒸着、リフトオフなどを用いて形成する。その後基板薄膜化、チップ化を行い、ジャンクションダウンの形態で、Ａｕ蒸着でコーティングしたＣｕの素子ホルダに実装する。
実装はＡｕ−Ａｕのボンディングを用いている。
本実施例においては、上部コンタクト電極間の活性層を取り除くことはしなかったが、本発明の実施形態において述べたように、取り除くこともできる。
この場合には、電極形状に応じて、該コンタクト電極を有さない部分の直下の活性層を取り除く工程が加わる。具体的には上記作製工程中のフォトニック結晶作製の前に、フォトリソグラフィーとドライエッチングで活性層を取り除き、除去部のみの結晶成長によりフォトニック結晶層と同じ厚さになるまで結晶を再成長させる。
それ以降は、活性層を有する場合の工程と同様である。

本実施例においては、レーザ素子はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなど窒化ガリウム系の材料を用い、ある一定の組成比のもので構成されていたが、この他の任意の組成比のものを用いることが可能である。
この他半導体材料として、キャリアドープされたＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶などを用いるとができる。
また、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶、Ｓｉ、ＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。
さらに、これらに関連して、電極材料なども既存の公知技術にならい、レーザ素子を構成する材料に応じて選択することが可能である。
上記の材料に関しては、本発明で適用する他の実施例および実施形態においても同様に採用することができる。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の面発光レーザ素子の構成例について説明する。
本実施例においては上部電極の形状が図５（ａ）のような格子形状となっている。本実施例において実施例１との相違点は、上記した上部電極の構成のみであり、それ以外の素子構造、材料および製造方法はすべて実施例１の場合と同様である。
電極が格子形状の場合も、電極の設計は、実施例１と同様の観点で行うことができる。
電極のパラメータ（幅、間隔）に関しては実施例１と同様であり、幅が２μｍ、間隔は６μｍである。
また、本実施例においては、電極格子の基本ベクトルは、フォトニック結晶の基本ベクトルの方向と４５°をなしている。
但し、本実施例においては、電極の密度が実施例１のストライプ型よりも大きく、また電極部が局所的に集中する部分（電極と電極の交差部）があるため、熱特性の観点では実施例１よりも不利である。
また、本実施例では、電極格子を２方向からのストライプが直交したものと見た時、電極の間隔と幅が２方向間でそろったものを考えた。
しかし、これらの２方向のストライプのうち電極間隔および幅のどちらかまたは両方を変化させることも可能である。

また、本実施例では、図５（ａ）のような格子形状の電極を用いたが、図５（ｂ）のように本実施例で用いた格子電極の反転形状（四角、平行四辺形、ドット形状など）とすることも可能である。
この場合には、各電極の大きさ及び電極間隔に対して、やはり実施例１と同様の考え方を
適用することができる。
格子電極の反転型となるこの場合は、格子電極よりもさらに一か所に電流が集中しやすい状況となり、熱特性の観点からはさらに性能が制限される。

［実施例３］
実施例３として、実施例１と異なる形態の面発光レーザ素子の構成例について、図８を用いて説明する。
図８（ａ）は、本実施例における素子の主に活性層よりも上部を表す模式断面図である。本実施例の素子は、下部電極（不図示）から０８１６コンタクト層までは全て実施例１の素子構造と同様であり、上部電極部分のみ異なっている。
該上部電極部分は、コンタクト層０８１６上に上部駆動用コンタクト電極０８１１、吸収低減用コンタクト電極０８１７が交互に積層され、間は絶縁層０８１０となっている。
上部駆動用コンタクト電極０８１１上には上部駆動用ＰＡＤ電極０８１２が、吸収低減用コンタクト電極０８１７上には吸収低減用ＰＡＤ電極０８１８がそれぞれ積層されている。

ここで、駆動用電極はレーザ素子を駆動し発振させるための電流を注入する電極であり、実施例１における図７（ａ）の上部コンタクト電極０７１１および上部ＰＡＤ電極０７１２と同様のものである。
吸収低減用電極は、駆動用電極間の駆動用電流が届かない領域における光吸収を低減するための電極で、駆動用電極からの電流よりも小さく、活性層の昇温になるべく寄与しないよう、低注入して吸収を低減するための電流を投入する。
上記吸収低減用の電極と駆動用電極は互いに電気的に独立しており、そのため本実施例においてはＰＡＤ電極もそれぞれ独立に設けられている。
図８（ｂ）は、図８（ａ）の素子を線ａ−ａ’よりｘｙ方向に切った断面図である。
この図より、上記独立電極はれそれぞれ独立した櫛歯電極となっている事が分かる。

上記電極の構造は、上部駆動用コンタクト電極０８１１の幅が８μｍ、電極間隔は１５μｍである。その間の吸収低減用コンタクト電極０８１７の幅は１０μｍである。
本実施例では、上部駆動用ＰＡＤ電極０８１２および吸収低減用ＰＡＤ電極０８１８の幅は、それぞれ上記上部駆動用コンタクト電極および吸収低減用コンタクト電極の幅と同様である。
本実施例における素子では、フォトニック結晶の孔径が実施例１と異なり、６０ｎｍとなっている。これによりκの値は３００程度となり、光がより遠い距離同士で結合しやすくなるため、本実施例においては駆動用コンタクト電極間隔は、実施例１よりも大きくなっている。
フォトニック結晶の基本格子ベクトル方向と上部電極の長軸方向のなす角は、実施例１と同様に４５°である。
本実施例における素子では、駆動用電流に加え活性層による吸収低減用の電流を投入することで、活性層除去なしでも素子の閾値を下げ駆動できる効果がある。また、本実施例における素子では、素子を構成する材料などは全て実施例１のものと同様である。
また、作製方法に関しては、上部電極を形成する際のマスクパターンを実施例１と変えるのみで、それ以外は同様の工程を用いて作製することができる。

［実施例４］
実施例４として、実施例１と異なる形態の面発光レーザ素子の構成例について、図９を用いて説明する。
図９は本実施例に係る面発光レーザ素子の本実施例の素子構成を表す図である。図９（ａ）は、本実施例における素子の主に活性層よりも上部を表す模式断面図である。
本実施例においては、上部コンタクト電極０９１１はストライプではなく、フォトニック
結晶形成領域を全て覆う平板上の電極となっている。
そのため、上部コンタクト電極間の絶縁層は本実施例においては設けない。代わりに電気抵抗の高い０９１７高抵抗領域が該コンタクト電極の下に設けられている。本実施例においては、該高抵抗領域は、コンタクト層０９１６中に形成されている。

図９（ｂ）は、図９（ａ）の素子を線ａ−ａ’よりｘｙ方向に切った断面図である。
本実施例においては、高抵抗領域は図９（ｂ）のようなストライプ状に形成されている。大きさは幅１０μｍ、間隔１５μｍである。
本実施例においては電極は平板状であるが、高抵抗領域０９１７には電流が注入されにくいため、その直下は電流密度が低くなる。
従って、通電領域としてはストライプ状となり、実施例３と同様に吸収低減用と駆動用に通電域を分割することができる。
また、該高抵抗領域の電気抵抗の値を制御することにより、吸収低減用の電流域の電流密度を制御することも可能である。高抵抗領域０９１７を完全に絶縁領域とした場合には、その部分には通電されずに、効果としては実施例１と等しくなる。

本実施例における素子の作製方法は、高抵抗領域０９１７を形成する工程が入る以外は、実施例１におけるものと同様である。
高抵抗領域は、イオン注入などの方法を用いて形成することができる。
本実施例においては、コンタクト層まで形成した後、フォトリソグラフィーとイオン注入を用いて、高抵抗領域を形成する工程を導入する。
その他の素子構造は実施例３と同様である。また、用いている材料に関しても、実施例３と同様である。
以上、実施例１〜実施例４は例示的なものであり、本発明において用いるレーザ素子の構造材料、大きさ、形状などの諸条件は、以上の実施例により何ら限定されるものではない。

０１０１：基板
０１０２：下部クラッド層
０１０３：下部光ガイド層
０１０４：活性層
０１０５：上部光ガイド層
０１０６：フォトニック結晶層
０１０７：上部クラッド層
０１０８：下部コンタクト電極
０１０９：下部ＰＡＤ電極
０１１０：絶縁層
０１１１：上部コンタクト電極
０１１２：上部ＰＡＤ電極
０１１３：フォトニック結晶空孔

Claims (12)

1. 活性層と、該活性層からの光と結合する位置に設けられた低屈折率媒質と高屈折率媒質で構成される２次元に屈折率が周期的に変化している周期構造の層と、
   該活性層に通電するための１対の電極と、を有する面発光レーザであって、
   前記周期構造の層は、該周期構造が正方格子に構成され、
   前記電極の少なくとも一方が、１本以上の線状電極を備え、
   前記周期構造における基本格子ベクトル方向と、前記線状電極の長軸方向とが、異なっていることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記一方の電極からの電流注入領域が、前記活性層に平行な面内から見て１本以上の線状領域を並べ構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記一方の電極から第１の領域と第２の領域とに電流が注入された際、該第１の領域に注入される電流密度と第２の領域に注入される電流密度とが異なるように構成され、
   前記電流密度のうちの大きい方の電流密度によりもたらされる光利得が、前記周期構造の基本格子ベクトルに対して等方的であり、格子方向の共振光に対して等しくなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
4. 前記一方の電極が、前記線状電極を１方向から２本以上並べてストライプ構造の電極に構成され、
   前記ストライプ構造の電極の長軸方向と、前記周期構造の基本格子ベクトル方向とのなす角θが、４５−２２．５°≦θ≦４５＋２２．５°に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
5. 前記一方の電極が、前記線状電極を２方向から２本以上並べて格子状の電極に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
6. 前記格子状の電極は、前記２方向におけるそれぞれの方向が直交していることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
7. 前記周期構造が形成された領域が一辺の長さをＬとする正方形であり、前記ストライプ構造の電極が周期的であり、該電極の長軸方向と前記フォトニック結晶の基本格子ベクトル方向とのなす角が４５°であり、
   電極の幅をＷ₁、電極の周期方向の間隔をＷ₂とし、Ｎを正の整数としたとき、
   
   √２Ｎ（Ｗ１＋Ｗ２）＝Ｌ
   
   の関係が満たされることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
8. 前記線状電極を第１の電極とするとき、該第１の電極が形成されない部分に前記活性層による光吸収損失を低減するための第２の電極が形成され、
   前記第２の電極より注入される電流密度が、前記第１の電極より注入される電流密度よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
9. 前記線状電極を第１の電極とするとき、該第１の電極が形成されていない領域と対応する位置には、活性層が位置していないことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
10. 活性層と、該活性層からの光と結合する位置に設けられた低屈折率媒質と高屈折率媒質で構成される周期構造の層と、該活性層に通電するための１対の電極と、を有する面発光レーザであって、
    前記周期構造の層は、該周期構造が正方格子に構成され、
    前記電極の少なくとも一方が、線状電極を２方向から２本以上並べて形成された格子状構造を反転させた構造による島状電極を備え、
    前記周期構造と前記島状電極との基本格子ベクトル方向が、互いに異なっていることを特徴とする面発光レーザ。
11. 前記島状電極を第１の電極とするとき、該第１の電極が形成されない部分に前記活性層による光吸収損失を低減するための第２の電極が形成され、
    前記第２の電極より注入される電流密度が、前記第１の電極より注入される電流密度よりも小さいことを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザ。
12. 前記島状電極を第１の電極とするとき、該第１の電極が形成されていない領域と対応する位置には、活性層が位置していないことを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザ。