JP3833953B2

JP3833953B2 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3833953B2
Application number: JP2002071086A
Authority: JP
Inventors: 進野田; 光横山; 孝二郎関根
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: JP2003273455A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法、特に、キャリアの注入により発光する活性層又はその近傍に、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２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板面から垂直方向にレーザ光を出射する面発光レーザが種々開発、研究されている。面発光レーザは同一基板上に多数の素子を集積（アレイ化）でき、各素子からコヒーレントな光が並列的に出射されるため、並列光ピックアップ、並列光伝送、光並列情報処理の分野での用途が期待されている。
【０００３】
この種の面発光レーザとして、フォトニック結晶を利用した２次元フォトニック結晶面発光レーザが特開２０００−３３２３５１号公報に開示されている。フォトニック結晶とは、光の波長と同程度もしくはより小さい屈折率周期を有する結晶であり、誘電体の多次元周期構造体では半導体の結晶中で電子状態にバンドギャップが生じることと同様の原理により、光の導波を抑制する波長帯（フォトニックバンドギャップ）が生じ、光を２次元又は３次元に閉じこめることが可能である。
【０００４】
前記公報記載の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。
【０００５】
具体的には、図８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１０は、概略、基板１１上に下部クラッド層１２、活性層１３、上部クラッド層１４が積層され、下部クラッド層１２には活性層１３の近傍に２次元フォトニック結晶２０が内蔵されている。
【０００６】
基板１１は、例えば、ｎ型ＩｎＰの半導体材料からなる。下部クラッド層１２及び上部クラッド層１４は、例えば、それぞれｎ型及びｐ型ＩｎＰの半導体層であり、活性層１３よりも屈折率が低い。２次元フォトニック結晶２０は、下部クラッド層１２に形成した空孔（フォトニック結晶周期構造体２１）にて構成され、下部クラッド層１２と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。空孔内にはＳｉＮ等を充填してもよい。活性層１３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。
【０００７】
下部クラッド層１２及び上部クラッド層１４により活性層１３を挟んでダブルヘテロ接合を形成し、キャリアを閉じこめて発光に寄与するキャリアを活性層１３に集中させるようになっている。
【０００８】
基板１１の底面及び上部クラッド層１４の上面には金等からなる下部電極１６及び上部電極１７が形成されている。電極１６，１７間に電圧を印加することにより活性層１３が発光し、該活性層１３から漏れた光が２次元フォトニック結晶２０に入射する。２次元フォトニック結晶２０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２０により共振して増幅される。これにより、上部クラッド層１４の上面（電極１７の周囲に位置する発光領域１８）からコヒーレントな光が面発光される。
【０００９】
ここで、図９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２０について共振作用を説明する。なお、格子形状は正方格子に限らず、三角格子等であってもよい。
【００１０】
２次元フォトニック結晶２０は、第１媒質１２内に空孔等の第２媒質２１と直交する２方向に同じ周期で形成した正方格子からなっている。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方向に隣接する第２媒質２１の間隔をａとすると、第２媒質２１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。
【００１１】
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２次回折される。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ブラッグ条件を満たす。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。
【００１２】
光Ｌが１回又は複数回の２次回折を繰り返すと、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１次回折された光もブラッグ条件を満たす。このため、共振によって増幅された光が上部クラッド層１４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。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、周期構造体２１は円柱状、楕円柱状あるいは四角柱状に形成されており、図１０に示すように、結晶面に対する垂直方向の断面形状は四角形状になっている。
【００１４】
このように、周期構造体２１の垂直断面形状が四角形であると、１次回折による光は上方への出射光Ｌ１と下方への出射光Ｌ２に同じ強度（５０％及び５０％）で分かれる。レーザ光として使用される光は出射光Ｌ１，Ｌ２のいずれか一方であり、光の利用効率が低いという問題点を有していた。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、面発光される光の利用効率を５０％以上に高めることのできる２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、本発明に係る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をクラッド層で挟み込み、該クラッド層又は該活性層に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た２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記フォトニック結晶周期構造体の結晶面に対する断面形状の幅が主たる発光方向に沿って漸減していることを特徴とする。
【００１７】
この２次元フォトニック結晶面発光レーザにあっては、フォトニック結晶周期構造体の前記断面形状が三角形状に近似した多段形状であってもよい。また、フォトニック結晶周期構造体が断面ほぼ三角形状体を重ね合わせた井桁構造であってもよい。
【００１８】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、活性層から漏れた光がフォトニック結晶の周期構造体によって２次回折（共振）して増幅され、１次回折によってクラッド層から面発光する。周期構造体は垂直方向の断面形状の幅が主たる発光方向に沿って漸減しているため、底辺方向への１次回折が抑えられてほぼ三角形状の頂点方向へより多く１次回折される。従って、頂点方向に１次回折される光を面発光として利用することにより、５０％以上の光利用効率を得ることができる。
【００１９】
一方、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザは、フォトニック結晶周期構造体を結晶面に対する垂直方向の断面形状を段差を有するほぼ三角形状にフォトリソグラフィ法で加工した際、マストランスポート効果によって段差部を消滅させて傾斜面を形成することにより製造することができる。
【００２０】
また、フォトニック結晶周期構造体を断面ほぼ三角形状体を重ね合わせた井桁構造とした２次元フォトニック結晶面発光レーザは、フォトニック結晶周期構造体を構成する三角形状体をフォトリソグラフィ法で多段に加工した際、マストランスポート効果によって段差部を消滅させて傾斜面を形成することにより製造することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１実施形態、図１参照）
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第１実施形態は、図１にその要部断面を示すように、フォトニック結晶周期構造体２１ａの結晶面に対する垂直方向の断面形状を三角形状としたものであり、周期構造体２１ａは下部クラッド層１２に形成されている。その他の構成は図８に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と基本的構成を同じくし、同種の材料を用いて製作され、同様の共振作用によって面発光する。
【００２３】
図８に示した周期構造体２１は円柱形状、楕円形状、四角柱形状からなる。本第１実施形態での周期構造体２１ａはそれらの形状に対応した円錐形状、楕円錐形状、四角錐形状である。２次回折は従来の周期構造体２１と同様に発生するが、周期構造体２１（三角形状）の底辺方向への１次回折光Ｌ２の発生が抑えられ、三角形状の頂点方向へより多くの１次回折光Ｌ１が出射される。これにて、光の利用効率が向上することになる。
【００２４】
（第２実施形態、図２参照）
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第２実施形態は、図２にその要部断面を示すように、フォトニック結晶周期構造体２１ｂの結晶面に対する垂直方向の断面形状を三角形状に近似した３段形状としたものであり、周期構造体２１ｂは下部クラッド層１２に形成されている。その他の構成は図８に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と基本的構成を同じくし、同種の材料を用いて製作され、同様の共振作用によって面発光する。
【００２５】
本第２実施形態での周期構造体２１ｂも円錐形状、楕円錐形状、四角錐形状の３段ピラミッド形状である。前記第１実施形態と比較すると、１次回折光Ｌ２が若干多くなり、面発光して利用される１次回折光Ｌ１の利用効率が若干低下するが、従来の垂直断面が四角形状の周期構造体２１と比べると光の利用効率は向上している。
【００２６】
（第３実施形態、図３参照）
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第３実施形態は、図３にその要部断面を示すように、フォトニック結晶周期構造体２１ｃの結晶面に対する垂直方向の断面形状を三角形状に近似した２段形状としたものであり、周期構造体２１ｃは下部クラッド層１２に形成されている。その他の構成は図８に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と基本的構成を同じくし、同種の材料を用いて製作され、同様の共振作用によって面発光する。
【００２７】
本第３実施形態での周期構造体２１ｃも円錐形状、楕円錐形状、四角錐形状の２段ピラミッド形状であり、前記第２実施形態の変形例としても位置づけられる。第２実施形態と比較すると、１次回折光Ｌ２が若干多くなり、面発光して利用される１次回折光Ｌ１の利用効率が若干低下するが、従来の垂直断面が四角形の周期構造体２１と比べると利用効率は向上している。
【００２８】
（製造方法、図４、図５参照）
ここで、前記第２実施形態で示した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、その要部であるフォトニック結晶周期構造体２１ｂの加工工程（フォトリソグラフィ法あるいは電子ビームリソグラフィ法等）を説明する。なお、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層を形成する工程は従来と同様である。
【００２９】
まず、下部クラッド層１２ｂ上にレジスト３１を塗布し（図４（Ａ）参照）、該レジスト３１をパターニングした後（図４（Ｂ）参照）、下部クラッド層１２ｂを所定量エッチング処理する（図４（Ｃ）参照）。
【００３０】
次に、レジスト３１を除去し、新たなレジスト３１を塗布し（図４（Ｄ）参照）、該レジスト３１をパターニングすると共にさらに所定量エッチング処理する（図４（Ｅ）参照）。
【００３１】
次に、レジスト３１を除去し、新たなレジスト３１を塗布し（図４（Ｆ）参照）、該レジスト３１をパターニングすると共にさらに所定量エッジング処理し（図４（Ｇ）参照）、レジスト３１を除去する（図４（Ｈ）参照）。これにて、下部クラッド層１２ｂに３段ピラミッド形状のフォトニック結晶周期構造体２１ｂが形成されたことになる。
【００３２】
その後、下部クラッド層１２ｂを表裏反転させ（図５（Ａ）参照）、基板１１上に積層されている下部クラッド層１２ａ上に下部クラッド層１２ｂを融着させる（図５（Ｂ）参照）。完成した状態は図５（Ｃ）に示すとおりである。なお、下部クラッド層１２ｂには活性層１３及び上部クラッド層１４が予め積層されている。また、その後に、図８に示したように、基板１１の下面に下部電極１６が設けられ、上部クラッド層１４の上面に上部電極１７が設けられる。
【００３３】
また、下部クラッド層１２ｂをフォトリソグラフィ法で加工した際、周知のマストランスポート効果によって段差部を消滅させて傾斜面を形成すると、前記第１実施形態で示した垂直断面が三角形状の周期構造体２１ａを形成することができる。
【００３４】
ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ等のIII−V族半導体は、水素ガス、窒素ガスあるいは希ガスの雰囲気中で、４５０℃以上３０分以上の熱処理を加えることで強くマストランスポートが生じる。この条件は以下に説明する第４実施形態での傾斜面の形成工程でもほぼ同様である。
【００３５】
（第４実施形態、図６、図７参照）
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第４実施形態は、図６に示すように、下部クラッド層１２ａ，１２ｂの対向面に互いに直交する方向に形成した断面三角形状の陸部２２ａ、２３ａ及び溝部２２ｂ、２３ｂによって井桁構造の２次元フォトニック結晶２０を構成したものである。その他の構成は図８に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と基本的構成を同じくし、同種の材料を用いて製作される。従って、図６において図８と同じ部材には同じ符号が付されている。
【００３６】
陸部２２ａ，２３ａ及び溝部２２ｂ，２３ｂが接合されることにより、井桁構造の２次元フォトニック結晶２０が形成される。図７はこの２次元フォトニック結晶２０を示す平面図であり、陸部２２ａ，２３ａ及び溝部２２ｂ，２３ｂの重なり状態の異なる、即ち屈折率がそれぞれ異なる２次元の周期構造体２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ（それぞれ斜線を付して示す）が市松模様状に密集して配列されている。
【００３７】
このような２次元の周期構造体によって光が２次回折して共振し、１次回折によって面発光する。この１次回折において、図６に示すように、１次回折光Ｌ２の発生が抑えられ、より多くの１次回折光Ｌ１が出射され、光の利用効率が向上する。
【００３８】
井桁を構成する断面三角形状体は、図４に示したフォトリソグラフィ法で多段に加工した際、マストランスポート効果によって段差部を消滅させて傾斜面を形成すればよい。
【００３９】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００４０】
特に、半導体層、フォトニック結晶、電極の材料や、光の偏光を揃えるための構造、格子形状等は任意である。また、前記各実施形態では、フォトニック結晶周期構造体を下部クラッド層に設けた例を示したが、上部クラッド層内の活性層近傍もしくは活性層内に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である２次元フォトニック結晶面発光レーザの要部を示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態である２次元フォトニック結晶面発光レーザの要部を示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態である２次元フォトニック結晶面発光レーザの要部を示す断面図。
【図４】前記第２実施形態でのフォトニック結晶周期構造体の加工工程を示す説明図。
【図５】前記第２実施形態でのフォトニック結晶周期構造体の加工工程を示す説明図、図４の続き。
【図６】本発明の第４実施形態である２次元フォトニック結晶面発光レーザを示す斜視図。
【図７】前記第４実施形態での２次元フォトニック結晶を示す説明図。
【図８】本発明に先行する２次元フォトニック結晶面発光レーザを示す斜視図。
【図９】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。
【図１０】図８に示した面発光レーザでのフォトニック結晶周期構造体を示す断面図。
【符号の説明】
１０…２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１１…基板
１２…下部クラッド層
１３…活性層
１４…上部クラッド層
２０…２次元フォトニック結晶
２１ａ〜２１ｇ…フォトニック結晶周期構造体

Claims

キャリアの注入により発光する活性層をクラッド層で挟み込み、該クラッド層又は該活性層に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た２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
前記フォトニック結晶周期構造体の結晶面に対する断面形状の幅が主たる発光方向に沿って漸減していること、
を特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
フォトニック結晶周期構造体の前記断面形状が三角形状に近似した多段形状であることを特徴とする請求項１記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
フォトニック結晶周期構造体が断面ほぼ三角形状体を重ね合わせた井桁構造であることを特徴とする請求項１記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
請求項１記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、フォトニック結晶周期構造体を結晶面に対する垂直方向の断面形状を段差を有するほぼ三角形状にフォトリソグラフィ法で加工した際、マストランスポート効果によって段差部を消滅させて傾斜面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の製造方法。
請求項３記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、フォトニック結晶周期構造体を構成する三角形状体をフォトリソグラフィ法で多段に加工した際、マストランスポート効果によって段差部を消滅させて傾斜面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の製造方法。