JP2023113507A - フォトニック結晶面発光レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＷ動作において、高次モード発振及びサイドローブを抑制し、高電流注入時に至るまで基本モードを維持し、安定した横モード及び縦モードを有する、ビーム品質の高いフォトニック結晶面発光レーザ素子を提供する。【解決手段】層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を有するフォトニック結晶層１４Ｐが形成された第１の半導体層１２と、第１の半導体層上に形成された活性層１５と、活性層上に形成された第２の半導体層１８と、第２の半導体層上に形成され、第２の半導体層を露出する開口部３１Ｃを中央領域に有する高屈折率層３１と、開口部に露出した第２の半導体層を覆い、かつ第２の半導体層に電気的に接続され、高屈折率層よりも屈折率の低い透明導電体層２０Ｂと、透明導電体層及び高屈折率層上に設けられ、開口部及び第２の半導体層を経て入射した光を反射する光反射膜３２と、を有する。【選択図】図１Ａ
Description
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザ素子に関する。
近年、フォトニック結晶（ＰＣ：Photonic-Crystal）を用いた、フォトニック結晶面発光レーザ（Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser）の開発が進められている。
例えば、非特許文献１には、フォトニック結晶レーザの面内回折効果と閾値利得差について開示され、非特許文献２は、正方格子フォトニック結晶レーザの三次元結合波モデルについて開示されている。
また、異なるサイズの複数の空孔を格子点に配置して構成された多重格子フォトニック結晶を有するフォトニック結晶面発光レーザが知られている。
例えば、特許文献１には、板状の母材内に、該母材とは屈折率が異なる複数の領域から成り該領域のうち少なくとも２個の厚さが互いに異なる異屈折率領域集合体を多数、周期的に配置した２次元フォトニック結晶を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源が記載されている。
また、非特許文献３には、フォトニック結晶の空孔サイズや格子定数を変化させることで、ビーム品質劣化を招く多モード発振を抑制することについて開示されている。
しかし、フォトニック結晶は非常に小さな空孔を有するため、空孔のサイズや格子定数を精度よく製造することは困難である。
このような２次元フォトニック結晶面発光レーザ素子においては、高次モード発振を抑制し、基本モードを維持しつつ高電流注入時においても安定した、ビーム品質の高いレーザ素子を実現することが重要である。
田中他、２０１６年秋季応用物理学会予稿集15p-B4-20
Y. Liang et al.:Phys. Rev.B Vol.84(2011)195119
M. Yoshida et al., Proceedings of the IEEE (2019). "Experimental Investigation of Lasing Modes in Double-Lattice Photonic-Crystal Resonators and Introduction of In-Plane Heterostructures."
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザ素子の連続発振動作又はＣＷ動作（ＣＷ：Continuous Wave Operation）において、パルス動作とは異なるメカニズムにより、ビーム品質が低下するとの知見を得、当該知見に基づいてなされた。
本発明は、ＣＷ動作において、高次モード発振及びサイドローブを抑制し、高電流注入時に至るまで基本モードを維持し、安定した横モード及び縦モードを有するビーム品質の高いフォトニック結晶面発光レーザ素子を提供することを目的としている。
本発明の１実施態様による面発光レーザ素子は、フォトニック結晶層を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子であって、
層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を有するフォトニック結晶層が形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の半導体層を露出する開口部を中央領域に有する高屈折率層と、
前記開口部に露出した前記第２の半導体層を覆い、かつ前記第２の半導体層に電気的に接続され、前記高屈折率層よりも屈折率の低い透明導電体層と、
前記透明導電体層及び前記高屈折率層上に設けられ、前記開口部及び前記第２の半導体層を経て入射した光を反射する光反射膜と、を有している。
層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を有するフォトニック結晶層が形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の半導体層を露出する開口部を中央領域に有する高屈折率層と、
前記開口部に露出した前記第２の半導体層を覆い、かつ前記第２の半導体層に電気的に接続され、前記高屈折率層よりも屈折率の低い透明導電体層と、
前記透明導電体層及び前記高屈折率層上に設けられ、前記開口部及び前記第２の半導体層を経て入射した光を反射する光反射膜と、を有している。
以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［フォトニック結晶面発光レーザの構造］
フォトニック結晶面発光レーザ（以下、ＰＣＳＥＬとも称する。）は、発光素子を構成する半導体発光構造層（ｎ－ガイド層、発光層及びｐ－ガイド層からなる）に平行な共振器層を有し、当該共振器層に直交する方向にコヒーレントな光を放射する素子である。
フォトニック結晶面発光レーザ（以下、ＰＣＳＥＬとも称する。）は、発光素子を構成する半導体発光構造層（ｎ－ガイド層、発光層及びｐ－ガイド層からなる）に平行な共振器層を有し、当該共振器層に直交する方向にコヒーレントな光を放射する素子である。
一方、半導体発光構造層を挟む一対の共振器ミラー（ブラッグ反射鏡）を有する分布ブラッグ反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ ）レーザが知られているが、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）は、以下の点でＤＢＲレーザとは異なっている。すなわち、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）では、フォトニック結晶層に平行な面内を伝搬する光波はフォトニック結晶の回折効果により回折され２次元的な共振モードを形成するとともに、当該平行面に垂直な方向にも回折される。すなわち、共振方向（フォトニック結晶層に平行な面内）に対して、光取り出し方向が垂直方向である。
図１Ａは、実施例１のフォトニック結晶レーザ素子（ＰＣＳＥＬ素子）１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。ＰＣＳＥＬ素子１０は、複数の半導体層が基板上に積層されて構成されている。当該半導体層は、例えば、ＧａＮ系半導体などの六方晶系の窒化物半導体からなる。
また、図１Ｂは、図１Ａのフォトニック結晶層１４Ｐ及びフォトニック結晶層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）対１４Ｋを模式的に示す拡大断面図である。
図２Ａは、ＰＣＳＥＬ素子１０の上面を模式的に示す平面図、図２Ｂは、フォトニック結晶層（ＰＣ層）１４Ｐのｎ－ガイド層１４に平行な面（図１Ｂ、Ａ－Ａ断面）における断面を模式的に示す断面図、図２Ｃは、ＰＣＳＥＬ素子１０の底面を模式的に示す平面図である。
図面を参照してＰＣＳＥＬ素子１０の構造について以下に詳細に説明する。ＰＣＳＥＬ素子１０においては、基板１１上に、第１の半導体層１２、活性層１５、第２の半導体層１８が積層されて形成されている。
第１の半導体層１２は、ｎ－クラッド層（第１のクラッド層）１３及びｎ－ガイド層（第１のガイド層）１４からなる。また、ｎ－ガイド層（第１のガイド層）１４は、下ガイド層１４Ａ、フォトニック結晶層（空孔層、またはＰＣ層）１４Ｐ及び埋込層１４Ｂからなる。フォトニック結晶層１４Ｐは層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を有している。
活性層１５は、ＧａＮバリア層と、ＩｎｘＧａｙＮ（ｘ＋ｙ＝１）井戸層が交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。
第２の半導体層１８は、活性層１５上に設けられたｐガイド層（第２のガイド層）１６Ａ、ｐガイド層１６Ａ上に設けられた電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１６Ｂ、及び電子障壁層１６Ｂ上に設けられたｐクラッド層（第２のクラッド層）１６Ｃ、ｐクラッド層１６Ｃ上に形成されたｐ－コンタクト層１７から構成されている。ｐガイド層１６Ａ、電子障壁層１６Ｂ及びｐクラッド層１６Ｃをｐ側半導体層１６を構成している。
ｐ－コンタクト層１７は、ｐ電極とのオーミック接触性を向上させる半導体層であり、ｐクラッド層１６Ｃよりもエネルギーバンドギャップが小さい半導体層及び／又は不純物濃度が高い半導体層で形成されている。
すなわち、第１の半導体層１２は第１導電型（例えばｎ型）の半導体層を含み、第２の半導体層１８は、第１導電型とは反対導電型（例えばｐ型）の半導体層を含んでいる。
本明細書においては第１導電型がｎ型、第１導電型の反対導電型である第２導電型がｐ型の場合について説明するが、第１導電型及び第２導電型がそれぞれｐ型、ｎ型であってもよい。
なお、本明細書において、「ｎ－」、「ｐ－」は「ｎ側」、「ｐ側」を意味するものであって、必ずしもｎ型、ｐ型を有することを意味するものではない。例えば、ｎ－ガイド層は活性層よりもｎ側に設けられたガイド層を意味し、アンドープ層（又はｉ層）であってもよい。
また、ｎ－クラッド層１３は単一層ではなく複数の層から構成されていてもよく、その場合、全ての層がｎ層（ｎドープ層）である必要はなく、アンドープ層（又はｉ層）を含んでいてもよい。第２の半導体層１８についても同様である。
また、上記においては、フォトニック結晶レーザ素子１０の具体的で詳細な半導体層の構成について説明したが、素子構造の一例を示したに過ぎない。要は、フォトニック結晶層１４Ｐを有する第１の半導体層、第２の半導体層、及びこれらの層に挟まれた活性層（発光層）を有し、活性層への電流注入によって発光するように構成されていればよい。
例えば、フォトニック結晶レーザ素子は、上記した全ての半導体層を有する必要はない。あるいは、フォトニック結晶レーザ素子は、素子特性を向上するための種々の半導体層（例えば、正孔障壁層、光閉込め層、電流閉込め層、トンネル接合層など）を有していてもよい。
また、基板１１の裏面には円環状のｎ電極（カソード）２０Ａ（第１の電極）が形成され、レーザ光出射面である基板１１の裏面のｎ電極２０Ａの内側には反射防止膜２２が設けられている。
ｐ－コンタクト層１７の上面には、共振周波数調整膜（高屈折率層）３１が設けられている。共振周波数調整膜３１は、図２Ａに示すように、軸ＣＸを中心軸とする円形（円柱状）の開口部３１Ｃを有し、ｐ－コンタクト層１７の表面が開口部３１Ｃから露出している。なお、開口部３１Ｃは、上面視において、長円形状を有していてもよい。
開口部３１Ｃには、開口部３１Ｃを埋め込む透明電極であるｐ電極２０Ｂ（第２の電極）が形成されている。すなわち、ｐ電極２０Ｂは、開口部３１Ｃから露出したｐ－コンタクト層１７を覆い、かつｐ－コンタクト層１７とオーミック接触によって接続されている。
ｐ電極２０Ｂは、共振周波数調整膜（高屈折率層）３１よりも屈折率の低い透明導電体層として形成されている。
本実施例において、ｐ電極２０Ｂは、共振周波数調整膜３１の端部上面を被覆するように形成され、中心軸ＣＸに沿って上方から見た場合（上面視）において円形状を有している。
ｐ電極２０Ｂ上には、光反射膜（以下、単に反射膜と称する。）３２が設けられている。反射膜３２は、上面視において、開口部３１Ｃの中心軸ＣＸと同軸で開口部３１Ｃと相似形状で開口部３１Ｃよりも大なる面積を有している。すなわち反射膜３２は上面視において、開口部３１Ｃを包含する大きさを有し、本実施例においては円形状を有している。
なお、反射膜３２は、透明導電体層であるｐ電極２０Ｂ上、及び、共振周波数調整膜（高屈折率層）３１の一部上に（すなわち、開口部３１Ｃの周囲の一部上に）設けられていればよい。しかし、図１Ａに示すように、ｐ電極２０Ｂが共振周波数調整膜３１の端部上面を被覆する被覆部を有する場合、反射膜３２と共振周波数調整膜３１との間にｐ電極２０Ｂの当該被覆部を挟んで形成されていてもよい。
また、反射膜３２は、上面視において、少なくとも開口部３１Ｃの全体を覆うように設けられているが、レーザ光の有効径（ビーム径）以上の大きさを有することが好ましい。例えば、反射膜３２は中心軸ＣＸと同軸の円形状を有し、ガウシアンビーム径（光強度がピ－クの１／ｅ２となる径）以上の大きさを有することが好ましい。
反射膜３２上には、ｐ電極２０Ｂに電気的に接続されたパッド電極２３が形成されている。パッド電極２３は、ｐ電極２０Ｂ及び反射膜３２を埋め込むように形成されている。なお、図２Ａにおいては、パッド電極２３の図示は省略されている。
積層された半導体層（すなわち、第１の半導体層１２、活性層１５及び第２の半導体層１８）の側面、共振周波数調整膜３１の側面及び上面の端部は、ＳｉＯ2などの絶縁体による保護膜２１で被覆されている。なお、図の明確さのため、保護膜２１にはハッチングを施していない。
フォトニック結晶層１４Ｐから直接放出された光（直接放出光Ｌｄ）と、フォトニック結晶層１４Ｐから放出され、ｐ電極２０Ｂ及び共振周波数調整膜３１を透過して反射膜３２によって反射された光（反射放出光Ｌｒ）とが基板１１の裏面の光放出領域２０Ｌから外部に放出される。
図１Ｂに示すように、本実施例において、フォトニック結晶層１４Ｐは二重格子構造を有している。すなわち、空孔対１４Ｋ（主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２）が、結晶成長面（半導体層成長面）、すなわちｎ－ガイド層１４に平行な面（図中、Ａ－Ａ断面）において、周期ＰＫを有する正方格子点位置に２次元配列されてｎ－ガイド層１４内に埋め込まれて形成されている。なお、フォトニック結晶層１４Ｐは二重格子構造に限らず、単一格子構造又は多重格子構造を有していてもよい。
図２Ｂに示すように、フォトニック結晶層１４Ｐにおいて空孔対１４Ｋは、例えば円形の空孔形成領域１４Ｒ内に周期的に配列されて設けられている。図２Ｃに示すように、ｎ電極（カソード）２０Ａは、フォトニック結晶層１４Ｐに対して垂直方向から見たとき（すなわち上面視において）、空孔形成領域１４Ｒに重ならないように空孔形成領域１４Ｒの外側に環状の電極として設けられている。ｎ電極２０Ａの内側の領域が光放出領域２０Ｌである。
また、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、環状のｎ電極２０Ａは共振周波数調整膜３１の開口部３１Ｃ及び空孔形成領域１４Ｒと同軸であるように形成され、空孔形成領域１４Ｒの直径ＤＰは、ｎ電極２０Ａの内径ＤＥよりも小さい（ＤＰ＜ＤＥ）。
［ＰＣＳＥＬ素子１０の各層の具体的構成］
以下に、ＰＣＳＥＬ素子１０の各層の詳細について説明する。後述する素子の特性シミュレーションは下記の詳細構成に基づいてなされた。しかしながら、ＰＣＳＥＬ素子１０の各層の組成、層厚等は特に指定しない限り、例示に過ぎず、適宜改変して適用可能である。
［ＰＣＳＥＬ素子１０の各層の具体的構成］
以下に、ＰＣＳＥＬ素子１０の各層の詳細について説明する。後述する素子の特性シミュレーションは下記の詳細構成に基づいてなされた。しかしながら、ＰＣＳＥＬ素子１０の各層の組成、層厚等は特に指定しない限り、例示に過ぎず、適宜改変して適用可能である。
（１）基板
基板１１は、活性層１５から放射された光に対して透過率が高い六方晶のＧａＮ単結晶基板であり、成長用基板である。より詳細には、基板１１は、主面が、Ｇａ原子が最表面に配列した（０００１）面である「＋ｃ」面のＧａＮ単結晶である。
基板１１は、活性層１５から放射された光に対して透過率が高い六方晶のＧａＮ単結晶基板であり、成長用基板である。より詳細には、基板１１は、主面が、Ｇａ原子が最表面に配列した（０００１）面である「＋ｃ」面のＧａＮ単結晶である。
なお、主面がオフセットしていないジャスト基板でも、あるいは、例えばｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板でも良い。例えば、ｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板は、広範な成長条件下にて鏡面成長を得ることができる。
主面と対向する光放出領域２０Ｌが設けられた基板面（裏面）は、Ｎ原子が最表面に配列した（０００－１）面である「－ｃ」面である。－ｃ面は酸化等に対して耐性があるので光取り出し面として適している。
本実施例では、ＧａＮ基板１１はｎ型ＧａＮ単結晶の基板であり、ｎ電極とのコンタクト層の機能を有している。
ｎ－クラッド層１３は、Ａｌ組成が４％のｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層（層厚：２μｍ）である。また、ｎ－クラッド層１３の室温でのキャリア濃度は１×１０１８ ｃｍ－３である。ｎ－クラッド層はＡｌ組成２％～１０％、厚さは１～３μｍとしてもよい。
（２）ｎ－ガイド層
ｎ－ガイド層１４の下ガイド層１４Ａは、ｎ型ＧａＮであり、層厚３００ｎｍを有している。下ガイド層１４Ａは、例えば２０～５００ｎｍの層厚を有していてもよい。また、下ガイド層１４Ａの室温でのキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ－３である。
ｎ－ガイド層１４の下ガイド層１４Ａは、ｎ型ＧａＮであり、層厚３００ｎｍを有している。下ガイド層１４Ａは、例えば２０～５００ｎｍの層厚を有していてもよい。また、下ガイド層１４Ａの室温でのキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ－３である。
下ガイド層１４Ａ上のフォトニック結晶層１４Ｐは、活性層１５から放射された光を水平面内で共振させる規則的に配列された空孔（air hole）を備えている。
フォトニック結晶層１４Ｐは、アンドープのＧａＮ層であり、層厚１００ｎｍを有している。フォトニック結晶層１４Ｐは、例えば６０～１５０ｎｍの層厚を有していてもよい。なお、フォトニック結晶層１４Ｐの空孔については図面を参照して詳細に後述する。
フォトニック結晶層１４Ｐ上の埋込層１４Ｂは、アンドープのＧａＮ層であり、層厚は１００ｎｍである。なお、埋込層１４Ｂは、例えば、ｎ－ＧａＮ若しくはｎ－ＩｎＧａＮ、又はアンドープＧａＮ若しくはアンドープＩｎＧａＮからなる厚さ５０～１５０ｎｍの層であってもよい。
（２．１）フォトニック結晶層
図３は、フォトニック結晶層１４Ｐの面内で正方格子位置に配列された、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２からなる空孔対１４Ｋを上面から見た場合を模式的に示す平面図である。すなわち、フォトニック結晶層１４Ｐは、二重格子構造を有している。なお、図面の明確さのため、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２にハッチングを施して示している。
図３は、フォトニック結晶層１４Ｐの面内で正方格子位置に配列された、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２からなる空孔対１４Ｋを上面から見た場合を模式的に示す平面図である。すなわち、フォトニック結晶層１４Ｐは、二重格子構造を有している。なお、図面の明確さのため、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２にハッチングを施して示している。
より詳細には、主空孔１４Ｋ１は、その重心ＣＤ１が互いに直交する２方向（ｘ方向及びｙ方向）に周期ＰＫで正方格子位置に配列されている。副空孔１４Ｋ２も同様に、その重心ＣＤ２がｘ方向及びｙ方向に周期ＰＫで正方格子位置に配列されている。具体的には、周期ＰＫ＝１７９ｎｍとした。本実施例の発振波長は、約４４１ｎｍである。ここで、周期ＰＫは活性層から発せられる利得波長に合わせて適宜調整してもよい。
主空孔１４Ｋ１は、上面視（すなわち、フォトニック結晶層１４Ｐに垂直方向から見たとき）において、｛１０－１０｝面であるｍ面で囲まれた長六角形形状を有している。副空孔１４Ｋ２も、ｍ面で囲まれた形状を有している。
なお、ｘ方向及びｙ方向はそれぞれ、主空孔１４Ｋ１の長軸方向（＜１１－２０＞方向）及び短軸方向（＜１－１００＞方向）に対して４５°傾斜した方向である。本明細書では、ｘ－ｙ座標を空孔座標とも称する。
また、副空孔１４Ｋ２の重心ＣＤ２は、主空孔１４Ｋ１の重心ＣＤ１に対してｘ方向にΔｘ及びｙ方向にΔｙだけ離間している。ここでは、Δｘ＝Δｙとした。すなわち、副空孔１４Ｋ２の重心ＣＤ２は、主空孔１４Ｋ１の重心ＣＤ１から＜１－１００＞方向に離間している。具体的には、ｘ方向の重心間距離Δｘ及びｙ方向の重心間距離Δｙを８２．８ｎｍとした。ここで、ｘ方向の重心間距離Δｘ及びｙ方向の重心間距離Δｙは、例えば、レーザー素子を適用するデバイスに要求される電流値や、レーザーの出射強度のスロープ効率等の、レーザー特性に合わせて適宜調整してもよい。
（３）活性層
活性層１５は、厚さ６ｎｍのＧａＮバリア層と、厚さ４．０ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ（ｘ＋ｙ＝１）井戸層が交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。本実施例においては、井戸層が２層の量子井戸構造を用いた。
活性層１５は、厚さ６ｎｍのＧａＮバリア層と、厚さ４．０ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ（ｘ＋ｙ＝１）井戸層が交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。本実施例においては、井戸層が２層の量子井戸構造を用いた。
活性層１５は、空孔層（フォトニック結晶層１４Ｐ）から１８０ｎｍ以内に配置し、空孔層による共振効果が十分に得られる距離とした。
（４）第２の半導体層
第２の半導体層１８のｐガイド層１６Ａは、層厚が２５０ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層である。ｐガイド層１６Ａは、層厚が１００～５００ｎｍであってもよく、アンドープのＡｌＩｎＧａＮ層であってもよい。
第２の半導体層１８のｐガイド層１６Ａは、層厚が２５０ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層である。ｐガイド層１６Ａは、層厚が１００～５００ｎｍであってもよく、アンドープのＡｌＩｎＧａＮ層であってもよい。
また、ｐガイド層１６Ａは、ドーパントによる光吸収を考慮してアンドープ層としたが、良好な電気伝導性を得るために、例えばマグネシウム（Ｍｇ）をドープしても良い。
ｐガイド層１６Ａ上に設けられた電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１６Ｂは、層厚が１５ｎｍでＡｌ組成が２０％、マグネシウムドープされたｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層である。
ＥＢＬ１６Ｂのアルミニウム（Ａｌ）組成は、キャリアである電子がｐクラッド層１６Ｃへ流れることを防ぐことができる障壁（エネルギー差）となる組成とした。ここでＥＢＬ１６ＢはＡｌ濃度が一定のＡｌＧａＮ以外にも、Ａｌ濃度を変化させた多層構造としてもよい。
ｐクラッド層１６Ｃは、層厚が１００ｎｍで、マグネシウムドープされたｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎである。ｐクラッド層１６Ｃは、Ａｌ組成２％～１０％、１００～３５０ｎｍの層厚を有していてもよい。
また、本実施例においては、ｐクラッド層１６Ｃ上にｐコンタクト層１７が設けられている。ｐコンタクト層１７は、層厚が２５ｎｍで、マグネシウムドープされたｐ型ＧａＮであった。ｐコンタクト層１７のキャリア濃度は、その表面に設けたアノード電極とオーミック接合できる濃度とした。
さらに最表面に２ｎｍ以下の層厚のＩｎＧａＮ層や２ｎｍ以下の層厚のＳｉやＯドープしたｐ型ＧａＮ層を設けてもよい。このような層を追加することで、ｐ電極の接触抵抗を低減することができる。
（５）共振周波数調整用膜（高屈折率層）
共振周波数調整膜（高屈折率層）３１は、透明電極であるｐ電極２０Ｂよりも高い屈折率を有し、活性層１５の発振波長に対して透明で絶縁性の材料で形成されている。共振周波数調整膜３１は、ＺｒＯ２をスパッタリング法により堆積して形成することができる。
共振周波数調整膜（高屈折率層）３１は、透明電極であるｐ電極２０Ｂよりも高い屈折率を有し、活性層１５の発振波長に対して透明で絶縁性の材料で形成されている。共振周波数調整膜３１は、ＺｒＯ２をスパッタリング法により堆積して形成することができる。
共振周波数調整膜３１には、軸ＣＸを中心軸とする円柱状（直径３００μｍφ）の開口部３１Ｃが形成されている。当該開口部３１Ｃは、ＺｒＯ２膜の化学エッチング又はドライエッチングなど、周知の方法で形成することができる。
なお、共振周波数調整膜３１の成膜方法はスパッタリング法に限らず、ＣＶＤ法、電子線ビーム蒸着法、ＡＬＤ法、イオンプレーティング法などを使用することができる。
また、共振周波数調整膜３１として、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＮｘ等の絶縁性の透光性誘電体層を用いることができる。
あるいは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等の半導体層を用いることもできる。この場合、当該半導体層を下層の半導体層（ｎ型）とは反対導電型（すなわち、ｐ型）とするか、当該半導体層をイオン注入等により絶縁性とする。
なお、ｐ電極２０Ｂ（ＩＴＯ）の屈折率は約２．０であり、透光性誘電体層の屈折率を示すと、ＺｒＯ２（２．２６）、ＴｉＯ２（２．２６）、Ｔａ２Ｏ５（２．２１）、Ｎｂ２Ｏ５（２．３２）、ＳｉＮｘ（２．４６）である（括弧内は、波長λ＝４４０ｎｍにおける屈折率）。
また、半導体層は、組成によって変化するが、屈折率を例示すると、ＧａＮ（２．４６）、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（２．４０）、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ（２．６０）、ＡｌＮ（２．１８）である（括弧内は、波長λ＝４４０ｎｍにおける屈折率）。
以上のように、共振周波数調整膜３１として、ｐ電極２０Ｂよりも高い屈折率を有するこれらの透光性誘電体層又は透光性半導体層を用いることができる。
なお、上記した透光性誘電体層又は透光性半導体層を単層で用いてもよいが、これらの層を複数積層した層を共振周波数調整膜３１として用いることができる。また、上記も層のうち少なくとも１層又は複数の層を含むようにしてもよい。
また、上記した透光性誘電体層及び／又は透光性半導体層上にさらにＳｉＯ２等の透光性誘電体層を設けても良い。
（６）ｐ電極（アノード電極）
ｐ電極２０Ｂとして、透明導電体である酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いた。ＩＴＯはスパッタリング法により形成することができる。また、ｐ電極２０Ｂは、１３５ｎｍの厚さを有し、開口部３１Ｃを充填するように形成されている。
ｐ電極２０Ｂとして、透明導電体である酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いた。ＩＴＯはスパッタリング法により形成することができる。また、ｐ電極２０Ｂは、１３５ｎｍの厚さを有し、開口部３１Ｃを充填するように形成されている。
なお、成膜されたＩＴＯは結晶化させ、接触抵抗の低減、透明化を目的として、酸素を添加した窒素ガス雰囲気中でランプ加熱方式により加熱することが好ましい。
ｐ電極２０Ｂには、ＩＴＯの他に、ＺｎＯ、ＧＺＯ（Ｇａ添加ＺｎＯ）等の透明導電体を用いることもできる。
ｐ電極２０Ｂは、ｐコンタクト層１７とオーミック接触している。厚さは５０ｎｍ～３００ｎｍの範囲が好ましい。クラッド（光閉じ込め）として機能させるため５０ｎｍ以上が好ましく、あまり厚いと応力が大きくなり、剥離しやすく、また吸収損失が増大するからである。
（７）反射膜
ｐ電極２０Ｂ上の反射膜３２は、膜厚が３００μｍのＡｇ（銀）を用いた。反射膜３２は、軸ＣＸを中心とする直径３５０μｍの円形状を有する。
ｐ電極２０Ｂ上の反射膜３２は、膜厚が３００μｍのＡｇ（銀）を用いた。反射膜３２は、軸ＣＸを中心とする直径３５０μｍの円形状を有する。
反射膜３２の材料は、レーザ光に対して高い反射率を有するものが好ましく、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属やこれらの材料をベースとした合金を用いることができる。また、例えば、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５等を多層に積層した誘電体ＤＢＲを用いることもできる。さらに、誘電体ＤＢＲと高反射金属膜を組み合わせたものでもよい。
（８）パッド電極
反射膜３２上には、ｐ電極２０Ｂに電気的に接続されたパッド電極２３が形成されている。パッド電極２３は、それぞれ１０ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍの厚さを有するＮｉ／Ｐｄ／Ａｕからなり（Ａｕが最表面）、ｐ電極２０Ｂ及び反射膜３２を埋め込むように形成されている。
反射膜３２上には、ｐ電極２０Ｂに電気的に接続されたパッド電極２３が形成されている。パッド電極２３は、それぞれ１０ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍの厚さを有するＮｉ／Ｐｄ／Ａｕからなり（Ａｕが最表面）、ｐ電極２０Ｂ及び反射膜３２を埋め込むように形成されている。
パッド電極２３は、上面視において７００μｍ×７００μｍの矩形形状を有している。なお、ＰＣＳＥＬ素子１０の外形も約８００μｍ×８００μｍの矩形柱形状である。
（９）ｎ電極（カソード電極）
ｎ電極２０Ａは、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなり（Ａｕが最表面）、成長用基板１１とオーミック接触されている。電極材料は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ以外にＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｒｈ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ／Ａｕ、Ｖ／Ｒｈ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕなどを選択することができる。最表面はＡｕのワイヤーボンディングのためにＡｕとすることが好ましい。
ｎ電極２０Ａは、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなり（Ａｕが最表面）、成長用基板１１とオーミック接触されている。電極材料は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ以外にＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｒｈ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ／Ａｕ、Ｖ／Ｒｈ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕなどを選択することができる。最表面はＡｕのワイヤーボンディングのためにＡｕとすることが好ましい。
（１０）保護膜
保護膜２１は、ＰＣＳＥＬを構成するアルミ（Ａｌ）を含む結晶層を腐食性ガス等から保護する。また、付着物や実装時におけるはんだの這い上がりによる短絡等からも保護し、信頼性、歩留まりを向上させる。材料はＳｉＯ２に限らず、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、等を選択することができる。
保護膜２１は、ＰＣＳＥＬを構成するアルミ（Ａｌ）を含む結晶層を腐食性ガス等から保護する。また、付着物や実装時におけるはんだの這い上がりによる短絡等からも保護し、信頼性、歩留まりを向上させる。材料はＳｉＯ２に限らず、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、等を選択することができる。
［ＰＣＳＥＬ素子１０の特性］
実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０の特性シミュレーションの結果を比較例のＰＣＳＥＬ素子と比較して以下に説明する。なお、当該比較例のＰＣＳＥＬ素子は、共振周波数調整膜３１として用いる材料が異なる点を除いて実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０と同一の構造を有している。
実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０の特性シミュレーションの結果を比較例のＰＣＳＥＬ素子と比較して以下に説明する。なお、当該比較例のＰＣＳＥＬ素子は、共振周波数調整膜３１として用いる材料が異なる点を除いて実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０と同一の構造を有している。
すなわち、実施例１においては、ｐ電極２０Ｂよりも高屈折率の材料を共振周波数調整膜３１として用いているが、当該比較例においては、ｐ電極２０Ｂよりも屈折率の低い材料であるＳｉＯ２を用いている。
このシミュレーションでは、電流注入領域においては発熱を考慮し、その発熱に応じた屈折率分布を設け、有効屈折率を設定している。電流注入領域外においては、共振周波数調整膜３１で調整された有効屈折率を設定し、計算を行った。発熱は中心ピーク温度を約５０℃と設定した。
図４Ａ及び図４Ｂは、実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０に２Ａ（アンペア）の一定電流を印加したときのそれぞれ遠視野像（ＦＦＰ）及び発振スペクトルの計算結果を示している。また、図５Ａ及び図５Ｂは、比較例のＰＣＳＥＬ素子に２Ａ（アンペア）の一定電流を印加したときのそれぞれ遠視野像（ＦＦＰ）及び発振スペクトルの計算結果を示している。
また、図６は、実施例１（ＥＭＢ１）及び比較例（ＣＭＰ）の、電流非注入時及び電流注入時（ＣＷ）のフォトニックバンドを示す図である。バンド端ＢＥ１及びＢＥ２の間がフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）である。なお、領域Ｉ（中央領域）が開口部３１Ｃ、すなわちｐ電極２０Ｂとｐ－コンタクト層１７との接触部、領域ＩＩ（周囲領域）が共振周波数調整膜３１の形成部に対応する。
図４Ａ及び図５Ａを参照し、実施例１及び比較例の電流２Ａ時のビーム特性である遠視野像を比較する。実施例１においては広がり角の狭いきれいな遠視野像が観察された。一方、比較例においては、広がり角の狭いビームの周囲に十字状のサイドローブが現れた。
これは、図６に示すように、比較例（ＣＭＰ）においては電流注入領域の発熱により、電流注入領域である領域Ｉではバンド端周波数が大きく低下した影響であると考えられる。
一方で、電流注入時、電流注入領域である領域Ｉに対応する半導体層では、周囲領域である領域ＩＩの半導体層よりもキャリア密度が増大し、屈折率が低下する。これにより、領域Ｉのバンド端周波数は高くなる現象が同時に生じる。しかし、ＣＷ動作の発熱による屈折率の上昇は、キャリア密度の増加による屈折率の低下よりもバンド端周波数に大きく影響する。その結果、領域Ｉはバンド端周波数が大きく低下したと発明者らは考察した。
より詳細には、比較例の場合、ＩＴＯより屈折率の低いＳｉＯ２が周囲に成膜されているので、電流の非注入時から電流注入領域又は中央領域（領域Ｉ）のフォトニックバンドは低下した状態にある。
そして電流注入時においては、これを助長するように、発熱によりフォトニックバンド周波数が低下し、周囲領域（領域ＩＩ）とのフォトニックバンド周波数と大きく乖離する。このフォトニックバンドの位置関係だと、面内の光閉じ込めが大きく弱まり、狭い広がり角を発振させるモードの閾値利得が上昇し、十字状に発振するモードが現れたと考えられる。
一方で実施例の場合は、適度なフォトニックバンド周波数の関係から、狭い広がり角のビームの閾値利得を悪化させず、シングルモードで発振できると考えられる。
図４Ｂ及び図５Ｂにそれぞれ示す実施例１及び比較例の発振スペクトルを参照すると、実施例１では縦シングルモードで発振するが、比較例は縦マルチモードで発振することがわかる。なお、比較例の４４０．８５ｎｍ近傍のスペクトルが、十字状に伸びるビーム（図５Ａ）のスペクトルに対応している。
したがって、ＣＷ動作において、高次モード発振及びサイドローブを抑制し、高電流注入時に至るまで基本モードを維持し、安定した横モード及び縦モードを有する、ビーム品質の高いフォトニック結晶面発光レーザ素子を提供することができる。
図７は、実施例２（ＥＭＢ２）のＰＣＳＥＬ素子４０の構造の一例を模式的に示す断面図である。
ＰＣＳＥＬ素子４０は、ｐ電極２０Ｂよりも厚い共振周波数調整膜３１を有している点において実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０と異なっている。第１の半導体層１２、活性層１５及び第２の半導体層１８からなる半導体発光構造層の層構成は実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０と同様である。
より詳細には、共振周波数調整膜３１よりも小なる屈折率を有するｐ電極２０Ｂは、共振周波数調整膜３１よりも小なる厚さを有し、ｐ－コンタクト層１７上に形成されている。また、ｐ電極２０Ｂは、開口部３１Ｃ内において反射膜３２によって埋設されて形成されている。
換言すれば、本実施例においても、半導体発光構造層の上面の中央領域である開口部３１Ｃ内に透明導電体層であるｐ電極２０Ｂが設けられ、その周囲領域に透明導電体層よりも高い屈折率を有する共振周波数調整膜３１が設けられている。
実施例２のＰＣＳＥＬ素子４０によれば、共振周波数調整膜３１の領域（領域ＩＩ又は周囲領域）における半導体発光構造層に垂直方向の光路長が領域Ｉ（中央領域）よりも長くなり、調整範囲を大きくすることができる。したがって、ＣＷ動作時における横モード及び縦モードの安定性を高めることができる。
図８は、実施例３（ＥＭＢ３）のＰＣＳＥＬ素子５０の構造の一例を模式的に示す断面図である。
ＰＣＳＥＬ素子５０は、ｐクラッド層１６Ｃの内部に達する共振周波数調整膜３１を有している点において実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０及び実施例２のＰＣＳＥＬ素子４０と異なっている。第１の半導体層１２、活性層１５及び第２の半導体層１８からなる半導体発光構造層の層構成は実施例１のＰＣＳＥＬ素子１０と同様である。
より詳細には、共振周波数調整膜３１がｐクラッド層１６Ｃの内部に達し、開口部３１Ｃ内において、ｐクラッド層１６Ｃの一部、ｐ－コンタクト層１７及びｐ電極２０Ｂが反射膜３２によって埋設されて形成されている。
なお、本実施例の構造は、中央の領域（領域Ｉ）を除く領域のｐ－コンタクト層１７及びｐクラッド層１６Ｃをエッチングして当該領域（領域ＩＩ）に共振周波数調整膜３１を形成することによって実現することができる。
換言すれば、本実施例においても、半導体発光構造層の上面の中央領域である開口部３１Ｃ内に透明導電体層であるｐ電極２０Ｂが設けられ、その周囲領域に透明導電体層よりも高い屈折率を有する共振周波数調整膜３１が設けられている。
実施例３のＰＣＳＥＬ素子５０によれば、共振周波数調整膜３１の領域（領域ＩＩ又は周囲領域）における半導体発光構造層に垂直方向の光路長が領域Ｉ（中央領域）よりも長くなり、調整範囲を大きくすることができる。したがって、ＣＷ動作時における横モード及び縦モードの安定性を高めることができる。
なお、上記した実施例においては、上面視において円形状（長円形状を含む）の開口部を有する共振周波数調整膜（高屈折率領域：領域ＩＩ）を形成する場合を例に説明したが、これに限定されない。開口部の領域（低屈折率領域：領域Ｉ）がｎ角形形状（ｎは４以上の整数）であってもよい。この場合、６角形以上（６≦ｎ）の多角形形状を有することが好ましい。
また、共振周波数調整膜の開口部（領域Ｉ）は中心軸ＣＸに関して回転対称形状を有することが好適である。例えば、開口部が上面視において多角形形状を有する場合には、開口部は正多角形形状を有することが好適である。
また、開口部が円柱形状を有する場合を例に説明したが、これに限定されず、円錐台、多角形錐台形状等を有していてもよい。また、多角形錐台形状を有する場合には、開口部は正多角錐台形状を有することが好適である。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ＣＷ動作において、高次モード発振及びサイドローブを抑制し、高電流注入時に至るまで基本モードを維持し、安定した横モード及び縦モードを有する、ビーム品質の高いフォトニック結晶面発光レーザ素子を提供することができる。
１０，４０，５０：ＰＣＳＥＬ素子、１１：基板、１２：第１の半導体層、１３：第１のクラッド層、１４：第１のガイド層、１４Ａ：下ガイド層、１４Ｐ：フォトニック結晶層、１４Ｂ：埋込層、１５：活性層、１６Ａ：第２のガイド層、１６Ｂ：電子障壁層、１６Ｃ：第２のクラッド層、１７：コンタクト層、１８：第２の半導体層、２０Ａ：第１の電極、２０Ｂ：透光性電極（第２の電極）、２０Ｌ：光放出領域、２１：保護膜、２３：パッド電極、３１Ｃ：開口部、３１：共振周波数調整膜（高屈折率層）
Claims (7)
- フォトニック結晶層を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子であって、
層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を有するフォトニック結晶層が形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の半導体層が露出する開口部を中央領域に有する高屈折率層と、
前記開口部に露出した前記第２の半導体層を覆い、かつ前記第２の半導体層に電気的に接続され、前記高屈折率層よりも屈折率の低い透明導電体層と、
前記透明導電体層及び前記高屈折率層上に設けられ、前記開口部及び前記第２の半導体層を経て入射した光を反射する光反射膜と、
を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子。 - 前記透明導電体層は前記開口部を充填し、
前記光反射膜は、前記開口部と同軸で、かつ前記フォトニック結晶層に対して垂直方向から見たとき前記開口部と相似形状であって前記開口部よりも大なる面積を有する、請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。 - 前記高屈折率層は前記透明導電体層よりも大なる層厚を有し、
前記透明導電体層は、前記開口部内において前記光反射膜によって埋設されており、
前記光反射膜は、前記開口部と同軸で、かつ前記フォトニック結晶層に対して垂直方向から見たとき前記開口部と相似形状であって前記開口部よりも大なる面積を有する、請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。 - 前記高屈折率層は前記第２の半導体層の表面側から前記第２の半導体層の内部に達する深さで形成され、
前記高屈折率層の前記開口部内に、前記第２の半導体層の表面側の一部が前記透明導電体層によって埋設され、
前記光反射膜は、前記開口部と同軸で、かつ前記フォトニック結晶層に対して垂直方向から見たとき前記開口部と相似形状であって前記開口部よりも大なる面積を有する、請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。 - 前記開口部は前記フォトニック結晶層に対して垂直方向から見たとき円形状を有する請求項１ないし４のいずれか一項に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
- 前記高屈折率層は、絶縁性の透光性誘電体層であるＺｒＯ２層、ＴｉＯ２層、Ｔａ２Ｏ５層、Ｎｂ２Ｏ５層及びＳｉＮｘ層のうち少なくとも１層を含む請求項１ないし５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
- 前記高屈折率層は、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層及びＡｌＮ層のうち少なくとも１の半導体層を含み、前記少なくとも１の半導体層は、絶縁性であるか又は前記第２の半導体層の反対導電型である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
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