JP2018093022A - フォトニック結晶内蔵基板およびその製造方法、並びに面発光量子カスケードレーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フォトニック結晶内蔵基板は、化合物半導体基板と、誘電体層と、第1の半導体層と、を有する。前記誘電体層は、前記化合物半導体基板の表面に設けられ、二次元回折格子のそれぞれの格子点に配置される。それぞれの誘電体層は、前記二次元回折格子の辺のうちの少なくとも1つに関して非対称な形状を有し、かつ前記化合物半導体基板の屈折率よりも低い屈折率を有する。前記半導体積層体は、前記誘電体層および前記化合物半導体基板の前記表面を覆いかつ平坦な第1の面を有する半導体積層体であって、前記第1の面を構成する層は前記化合物半導体基板を構成する材料と格子整合可能な材料を含む。
【選択図】図1
Description
図1(a)は第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図、図1(b)は第1の実施形態に用いるフォトニック結晶内蔵基板の模式斜視図、である。
図1(b)に表すように、フォトニック結晶内蔵基板10は、化合物半導体基板20と、誘電体層31と、第1の半導体層40と、を有する。
図2(a)に表す化合物半導体基板20は、InPやGaAsなどとすることができる。ウェーハ状態でその厚さは、100〜900μmなどとされる。
図3(a)、(b)は、図2(d)においてA−A線に沿った模式断面図である。図3(a)において化合物半導体基板20の表面から結晶成長が開始され、さらに誘電体層31の間の化合物半導体基板20の領域から上方に向かって選択成長層40bが積層される。なお、結晶成長方向を矢印で表す。選択成長層40bの厚さが誘電体層31の高さに達すると、誘電体層31の表面に沿って横方向成長が進行する。誘電体層31の上面の中央部近傍には両側から横方向成長した領域がつながってドメインバウンダリー部40dが形成される。さらに結晶成長が進行する従って結晶性が良好となり、表面が平坦化されたオーバーグロース層40cが形成される。
図5(a)に表すように、比較例にかかる面発光量子カスケードレーザでは、基板120の上に、少なくとも下部クラッド層152、活性層154、フォトニック結晶層141がこの順に結晶成長される。フォトニック結晶層141には、活性層154に到達しないように空孔142が設けられる。空孔142は、二次元回折格子を構成する。空孔142の上には、たとえば、光ガイド層155、上部クラッド層156、コンタクト層157などが再成長される。
図6は、第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの二次元回折格子の構成を説明する模式平面図である。
二次元回折格子34は、正方格子とし格子間隔をaで表す。格子点Gには、たとえば、平面形状が直角三角形である誘電体層31がそれぞれ配置される。本図では、直角三角形の重心が格子点G近傍となるように表されている。なお、三角形の形状は直角三角形に限定されない。
図7(a)において、縦軸は光の周波数にa/cを乗じた相対規格化周波数、横軸は波数ベクトルを表す。なお、なお、aは格子定数、cは光速、である。波数ベクトルのΓ点には、光の群速度がゼロになる共振モードA、B、C、Dが存在する。
縦軸は真空内波長λ0,横軸は格子間隔a、である。発明者らのシミュレーションによれば、誘電体層31が窒化シリコン層を含み、その周囲がInPで囲まれている場合、発振波長λ0と格子間隔aとは、近似的に一次関数で表されることが判明した。その関係は、式(1)に表すことができる。
a(μm)=−0.0222+0.3121λ0 (1)
λm=λ0/n1 (2)
図9(b)は、3D−FDTD(3次元時間領域有限差分)法を用いて解析した電場ベクトル分布(XY面内)である。XY平面において誘電体層31の領域内で非対称性による電界の偏り(領域内で積分するとゼロにはならない)があれば、Z軸方向に光がしみ出る。図9(a)に表すように、誘電体層31が2等辺直角三角形のときZ軸方向上方に放出される放射光の電場ベクトルをEVで表す。なお、誘電体層31の模式平面図を図9(b)に破線で表す。
図10は、2D−FDTD(2次元時間領域有限差分)法を用いて解析したBモードの電場ベクトル分布(XY面内)である。量子カスケードレーザからのレーザ光70は、TM波である。このため、図10に表すように、磁場ベクトルHVの方向は、光学異方性により所定の方向に揃えられる。このため、面発光量子カスケードレーザ5は、直線偏光された磁場ベクトルHVを含むTM波をチップ上方に放出できる。この結果、チップサイズを大きくしても、安定した偏光方向を維持できるため、高出力レーザ光を得ることができる。
図11(a)に表すように、二次元回折格子34は正方格子とする。誘電体層31の形状は、三角柱に限定されず、直角二等辺三角錘などとしてもよい。上部電極61は、たとえば、チップの上面に枠状に設けられる。(表1)は、チップ平面形状の数値例である。
図12(a)〜(c)には正方格子を例示するが、直交格子であってもよい。誘電体層31の形状は、いずれも正方格子の辺Fに関して非対称とする。図12(a)、(b)に表すように、誘電体層31は、二次元回折格子34の辺Fに関して非対称であれば形状は限定されない。たとえば、誘電体31の形状は、N角柱(但し、Nは奇数)などとすることができる。
図13(a)では誘電体層31が三角柱であり、図13(b)では誘電体層31が2つの円柱(31a、31b)を含む。誘電体層31の平面形状は、三角格子の辺P、H、Iのうちの少なくともいずれかに関して非対称である。
Claims (13)
- 化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の表面に設けられ、二次元回折格子のそれぞれの格子点に配置された誘電体層であって、それぞれの誘電体層は、前記二次元回折格子の辺のうちの少なくとも1つに関して非対称な形状を有しかつ前記化合物半導体基板の屈折率よりも低い屈折率を有する、誘電体層と、
前記誘電体層および前記化合物半導体基板の前記表面を覆いかつ平坦な第1の面を有する第1の半導体層であって、前記第1の面を構成する層は前記化合物半導体基板を構成する材料と格子整合可能な材料を含む、第1の半導体層と、
を備えたフォトニック結晶内蔵基板。 - 前記誘電体層は、窒化膜または酸化膜を含む請求項1記載のフォトニック結晶内蔵基板。
- 前記誘電体層は、窒化シリコンまたは酸化シリコンを含み、
前記第1の半導体層は、前記誘電体層に向かうにしたがってシリコン濃度が高くなる領域を有する、請求項1記載のフォトニック結晶内蔵基板。 - 前記化合物半導体基板の前記材料は、前記第1の半導体層の前記第1の面を構成する前記層の前記材料と同一である請求項1〜3のいずれか1つに記載のフォトニック結晶内蔵基板。
- 前記化合物半導体基板は、InPを含む請求項1〜4のいずれか1つに記載のフォトニック結晶内蔵基板。
- 前記誘電体層は、N角柱(但し、Nは奇数)である請求項1〜5のいずれか1つに記載のフォトニック結晶内蔵基板。
- 化合物半導体基板の表面に、前記化合物半導体基板の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜をパターニングし二次元回折格子の格子点を構成する誘電体層を形成する工程であって、それぞれの誘電体層は前記二次元回折格子の辺のうちの少なくとも1つに関して非対称な形状を有するようにパターニングされる、工程と、
前記化合物半導体基板の前記表面および前記誘電体層に、前記化合物半導体基板の材料と格子整合可能な層を表面に有する第1の半導体層を結晶成長する工程と、
を備えたフォトニック結晶内蔵基板の製造方法。 - 前記第1の半導体層の前記表面を平坦化する工程をさらに備えた請求項7記載のフォトニック結晶内蔵基板の製造方法。
- 化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板の表面に設けられかつ二次元回折格子のそれぞれの格子点に配置された誘電体層と、前記誘電体層および前記化合物半導体基板の前記表面を覆いかつ平坦な第1の面を含む第1の半導体層と、を有するフォトニック結晶内蔵基板であって、前記第1の面を構成する層は前記化合物半導体基板を構成する材料と格子整合可能な材料を含み、それぞれの誘電体層は前記二次元回折格子の辺の少なくと1つに関して非対称な形状を有しかつ前記化合物半導体基板の屈折率よりも低い屈折率を有フォトニック結晶内蔵基板と、
前記第1の半導体層の前記第1の面上に設けられ、サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層 と、
を備え、
前記レーザ光は、前記活性層の表面に対して垂直方向に放出されるTM波を含む、面発光量子カスケードレーザ。 - 前記誘電体層は、窒化シリコンまはた酸化シリコンを含み、
前記第1の半導体層は、前記誘電体層に向かうにしたがってシリコン濃度が高くなる領域を有する、請求項9記載の面発光量子カスケードレーザ。 - 前記化合物半導体基板の前記材料は、前記第1の半導体層の前記第1の面を構成する前記層の材料と同一である請求項9または10に記載の面発光量子カスケードレーザ。
- 前記化合物半導体基板は、InPを含む請求項10または11に記載の面発光量子カスケードレーザ。
- 前記誘電体層は、N角柱(但し、Nは奇数)である請求項9〜12のいずれか1つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10424899B2 (en) | 2017-09-05 | 2019-09-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Surface emitting quantum cascade laser |
US10447012B2 (en) | 2017-11-16 | 2019-10-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Surface-emitting quantum cascade laser |
US10490979B2 (en) | 2017-12-27 | 2019-11-26 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Substrate including photonic crystal and method for manufacturing the same, and surface emitting quantum cascade laser |
US10714897B2 (en) | 2016-03-15 | 2020-07-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Distributed feedback semiconductor laser |
WO2023085032A1 (ja) * | 2021-11-11 | 2023-05-19 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 量子カスケードレーザー素子 |
Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000332351A (ja) * | 1999-05-21 | 2000-11-30 | Susumu Noda | 半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法 |
JP2004014796A (ja) * | 2002-06-06 | 2004-01-15 | Sony Corp | 窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体素子の製造方法 |
US20040252741A1 (en) * | 2003-05-28 | 2004-12-16 | Jerry Meyer | Surface-emitting photonic crystal distributed feedback laser systems and methods |
JP2007335686A (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | National Univ Corp Shizuoka Univ | 量子井戸サブバンド間遷移デバイス |
JP2008140917A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化物系半導体発光素子 |
JP2008147623A (ja) * | 2006-11-16 | 2008-06-26 | Canon Inc | フォトニック結晶を用いた構造体、及び面発光レーザ |
WO2009001699A1 (ja) * | 2007-06-28 | 2008-12-31 | Konica Minolta Holdings, Inc. | 2次元フォトニック結晶面発光レーザ |
JP2009231773A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法 |
JP2010114384A (ja) * | 2008-11-10 | 2010-05-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | フォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法 |
JP2010161329A (ja) * | 2008-12-08 | 2010-07-22 | Canon Inc | 二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザ |
WO2011013363A1 (ja) * | 2009-07-30 | 2011-02-03 | キヤノン株式会社 | 微細構造の製造方法 |
JP2014170825A (ja) * | 2013-03-04 | 2014-09-18 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 量子カスケード半導体レーザ |
JP2014175488A (ja) * | 2013-03-08 | 2014-09-22 | Kyoto Univ | レーザ装置 |
WO2015129490A1 (ja) * | 2014-02-28 | 2015-09-03 | 国立大学法人京都大学 | レーザ装置 |
-
2016
- 2016-12-01 JP JP2016234054A patent/JP6513626B2/ja active Active
Patent Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000332351A (ja) * | 1999-05-21 | 2000-11-30 | Susumu Noda | 半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法 |
JP2004014796A (ja) * | 2002-06-06 | 2004-01-15 | Sony Corp | 窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体素子の製造方法 |
US20040252741A1 (en) * | 2003-05-28 | 2004-12-16 | Jerry Meyer | Surface-emitting photonic crystal distributed feedback laser systems and methods |
JP2007335686A (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | National Univ Corp Shizuoka Univ | 量子井戸サブバンド間遷移デバイス |
JP2008147623A (ja) * | 2006-11-16 | 2008-06-26 | Canon Inc | フォトニック結晶を用いた構造体、及び面発光レーザ |
JP2008140917A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化物系半導体発光素子 |
WO2009001699A1 (ja) * | 2007-06-28 | 2008-12-31 | Konica Minolta Holdings, Inc. | 2次元フォトニック結晶面発光レーザ |
JP2009231773A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法 |
JP2010114384A (ja) * | 2008-11-10 | 2010-05-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | フォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法 |
JP2010161329A (ja) * | 2008-12-08 | 2010-07-22 | Canon Inc | 二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザ |
WO2011013363A1 (ja) * | 2009-07-30 | 2011-02-03 | キヤノン株式会社 | 微細構造の製造方法 |
JP2014170825A (ja) * | 2013-03-04 | 2014-09-18 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 量子カスケード半導体レーザ |
JP2014175488A (ja) * | 2013-03-08 | 2014-09-22 | Kyoto Univ | レーザ装置 |
WO2015129490A1 (ja) * | 2014-02-28 | 2015-09-03 | 国立大学法人京都大学 | レーザ装置 |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10714897B2 (en) | 2016-03-15 | 2020-07-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Distributed feedback semiconductor laser |
US10424899B2 (en) | 2017-09-05 | 2019-09-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Surface emitting quantum cascade laser |
US10630059B2 (en) | 2017-09-05 | 2020-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Surface emitting quantum cascade laser |
US10447012B2 (en) | 2017-11-16 | 2019-10-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Surface-emitting quantum cascade laser |
US10490979B2 (en) | 2017-12-27 | 2019-11-26 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Substrate including photonic crystal and method for manufacturing the same, and surface emitting quantum cascade laser |
WO2023085032A1 (ja) * | 2021-11-11 | 2023-05-19 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 量子カスケードレーザー素子 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6513626B2 (ja) | 2019-05-15 |
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