JP3983933B2 - 半導体レーザ、および半導体レーザの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光が可能な半導体発光デバイス、およびこのような半導体発光デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光が可能な半導体レーザとしては、ＤＢＲ型半導体レーザがある。この面発光型レーザは、発光方向に沿って設けられブラッグ反射に基づく１次元回折格子を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＤＢＲ型半導体レーザは、発光方向に沿って１次元回折格子を形成するために周期構造を設ける必要がある。このような周期構造は、屈折率の異なる層を周期的になるように繰り返し形成する必要がある。
【０００４】
本発明の目的は、従来とは異なった構成を有する面発光が可能な半導体レーザ、およびこのような半導体レーザの製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者は、半導体レーザに必要な構成を検討した。半導体レーザは、一般には、光を発生する活性層を備える。また、レーザ発振すべき波長を規定するためには、波長選択機能を有する部分が必要である。更に、面発光を可能にするためには、発生された光を２次元的に取り出すことが必要である。
【０００６】
そこで、本発明を以下のような構成とした。
【０００７】
本発明の半導体レーザは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層と、２次元回折格子と、光放出面とを備える。本発明の半導体レーザは、基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、前記基板の主面上に設けられた第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層に挟まれ、キャリアが注入されると光を発生する活性層と、前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層と光学的に結合され、当該半導体レーザによって発生されるべきレーザ光の波長を規定する２次元回折格子と、前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、を備え、２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、回折格子群の各々は同一の周期を有しており、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、当該半導体レーザのレーザ共振器は、前記活性層と前記２次元回折格子とを含む。
また、本発明の半導体レーザでは、２次元回折格子は第１の屈折率を有する媒質内に２次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分を有し、第１の屈折率は前記第２の屈折率よりも大きく、前記第２の屈折率の部分は第１の屈折率を有する媒質が除かれた空間であることが好ましい。
【０００８】
第１導電型半導体層および第２導電型半導体層は、基板の主面上に設けられている。活性層は、キャリアが注入されると光を発生するように設けられ、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層に挟まれている。２次元回折格子は、活性層において発生されるべき光の波長を規定するように設けられ、基板の主面が延びる方向に沿って延びている。
【０００９】
この結果、活性層において発生され２次元回折格子によって波長が規定された光が、光放出面から放出される。この光放出面は、２次元回折格子が延びる方向に沿って設けられている。
【００１０】
本発明の半導体レーザでは、２次元回折格子は、第１の屈折率を有する媒質内に２次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分を有することができる。第１の屈折率は第２の屈折率よりも大きいことが好ましい。第２の屈折率の部分は、第１の屈折率の媒質内に設けられた凹部であることができる。このような２次元回折格子は、三角格子および正方格子のいずれか一方を採用することによって実現されることができる。
【００１１】
本発明の半導体レーザは、活性層を介して２次元回折格子と対向するように設けられた別の２次元回折格子を更に備えることができる。追加された２次元回折格子は、回折効率を高めることを可能にする。両方の２次元回折格子は、回折効率を高めるような周期、例えば同一の周期を有することが好ましい。これらの２次元回折格子は、活性層に関して対称に設けることができ、また非対称に設けることができる。好ましくは、この２次元回折格子は、２以上の回折格子群からなり、該回折格子群の各々は同一の周期を有しており、 各回折格子群は、それぞれ異なる方向に伸びている。
【００１２】
本発明の半導体レーザは、活性層にキャリアを与えるための電極を更に備えることができる。このような電極は、光放出面上に設けられることができる。このため、活性層に対して２次元的にキャリアを与えることができる。電極の材料は、活性層において発生された光に対して透明であることが好ましい。
【００１３】
本発明の半導体レーザでは、活性層は、キャリアが注入されると光を発生する複数の発光部と、複数の発光部を分離するように設けられた分離部とを有することができる。このような活性層の形態は、以下に例示的に列挙される様々な構造によって実現される。２次元量子井戸構造は、複数の半導体層を積層することによって実現される。１次元量子井戸構造は、回折格子に沿って設けられた量子細線を形成することによって実現される。０次元量子井戸構造は、回折格子に沿って設けられた量子箱を形成することによって実現される。活性層の形態は、ここに列挙された構造に限定されることはない。活性層は、２次元回折格子に光を提供できるように設けられ、また光放出面に沿って設けられることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の半導体レーザは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層と、フォトニックバンド層と、光放出面とを備える。この半導体レーザは、基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、前記基板の主面上に設けられた第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられ、キャリアが注入されると光を発生する活性層と、前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層と光学的に結合され、当該半導体レーザによって発生されるべきレーザ光の波長を規定するフォトニックバンド構造を有するフォトニックバンド層と、前記フォトニックバンド層が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、を備え、フォトニックバンド層は２以上の回折格子群からなり、回折格子群の各々は同一の周期を有しており、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、当該半導体レーザのレーザ共振器は、前記活性層と前記フォトニックバンド層とを含む。
【００１５】
本発明に係る半導体レーザの製造方法は、第１の基板を含み第１の表面を有する第１の部品を準備する工程と、第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層を第２の基板の主面上に順に堆積し、前記主面が延びる方向に沿って第２の表面を有する第２の部品を形成する工程と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくともいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための２次元回折格子を形成する格子工程と、格子工程の後に、前記第１の表面と前記第２の表面とが向き合うように前記第１の部品および前記第２の部品を接合して、前記活性層と前記２次元回折格子とから構成されるレーザ共振器を形成する工程と、を備え、２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、回折格子群の各々は同一の周期を有している。
【００１６】
接合されるべき面に２次元格子を形成した後に、この２次元格子を挟むように２部品を接合するようにした。このため、２次元格子を形成した表面上に他の層を堆積することがない。故に、他の層の形成に影響を与えることなく２次元格子が形成される。また、２次元回折格子の形成面が接合されるので、他の層の形成から影響を受けることはない。
【００１７】
また、本発明に係わる半導体レーザの製造方法は、第１の基板および第２の基板の少なくとも一方を除去し光放出面を形成する工程を更に備えることができる。基板の一方を除去すれば、光が発生される活性層から光放出面までの距離が縮小される。
【００１８】
本発明に係る半導体レーザの製造方法は、第１の基板を含み第１の表面を有する第１の部品を準備する工程と、第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層を第２の基板の主面上に順に堆積し、前記主面が延びる方向に沿って第２の表面を有する第２の部品を形成する工程と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくともいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための２次元回折格子を形成する格子工程と、格子工程の後に、前記第１の表面と前記第２の表面とが向き合うように前記第１の部品および前記第２の部品を接合し第３の部品を形成する工程と、前記第３の部品から前記第１の基板を第３の表面が現れるように除去し第４の部品を形成する工程と、第３の基板を含み第４の表面を有する第５の部品を準備する工程と、前記第３の表面および前記第４の表面のいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための別の２次元回折格子を形成する工程と、前記第３の表面と前記第４の表面とが向き合うように、前記第４の部品および前記第５の部品を接合して、前記活性層、前記２次元回折格子および前記別の２次元回折格子から構成されるレーザ共振器を形成する工程と、を備え、２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、回折格子群の各々は同一の周期を有している。
【００１９】
このように、作り込むべき２次元回折格子を張り合わせ面に形成すれば、２次元回折格子を必要な数だけ積層することができる。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザの製造方法は、接合された第４の部品および第５の部品から、第１の基板および第３の基板のいずれかを除去し、光放出面を形成する工程を更に備えることができる。
【００２１】
本発明に係わる半導体レーザの製造方法では、２次元回折格子を形成する工程は、活性層において発生されるべき光の波長に対応したフォトニックバンド構造を形成するように規定された２次元回折格子パターンを持つマスクを第１の表面および第２の表面の少なくともいずれか一方に形成する工程、マスクを用いてエッチングし、２次元回折格子を形成する工程、を有することができる。
【００２２】
また、本発明に係わる半導体レーザの製造方法では、２次元回折格子を形成する工程は、活性層において発生されるべき光の波長に対応したフォトニックバンド構造を形成するように規定された２次元回折格子パターンを持つマスクを第３の表面および第４の表面のいずれか一方に２次元回折格子を形成し、マスクを用いてエッチングし、２次元回折格子を形成する、それぞれの工程を有することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。同一および類似の部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２４】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係わる半導体発光デバイスの斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ断面における断面図である。
【００２５】
半導体発光デバイス１は、基板１０、第１の閉じ込め層１２、第２の閉じ込め層１４、活性層１６、第３の閉じ込め層１８、および２次元回折格子２４を備える。基板１０としては、所定の面方位、例えば(001)のＮ型ＩｎＰの半導体基板を採用することができる。第１の閉じ込め層１２および第２の閉じ込め層１４としては、Ｎ型ＩｎＰの半導体層を採用することができる。第３の閉じ込め層１８としては、Ｐ型ＩｎＰの半導体層を採用することができる。第１の閉じ込め層１２、第２の閉じ込め層１４および第３の閉じ込め層１８は、基板１０の主面上にこの順序で積層されている。
【００２６】
第３の閉じ込め層１８の表面１８ａ上には、円形状のアノード電極２０が設けられている。このため、全方向に均一な発光が可能になる。アノード電極２０が形成されていない表面１８ａの部分は、光放出領域として機能する。基板１０の主面に対向する裏面上には、カソード電極２２が一面に設けられている。これらの電極２０、２２は、金(Ａｕ)系電極を用いることができる。この材料に限られるものではなく、活性層１６で発生される光の波長に透明な導電性の材料を用いることができる。
【００２７】
第２の閉じ込め層１４および第３の閉じ込め層１８は、活性層に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このため、これらの閉じ込め層１４，１８は、活性層を挟むように設けられている。また、第２の閉じ込め層１４および第３の閉じ込め層１８は、共に、活性層１６にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるように設けることができる。つまり、第２の閉じ込め層１４、活性層１６、および第３の閉じ込め層１８は、ダブルヘテロ接合を形成するように設けることができる。このため、発光に寄与するキャリアを活性層１６に集中させることができる。
【００２８】
活性層１６は、キャリアが注入されると光を発生する。発生される光の波長は、活性層１６が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。活性層１６は、単一の半導体材料を用いて形成されることができる。また、活性層１６は、単一または多重量子井戸構造を形成するように設けることもできる。さらに、活性層１６は、２次元回折格子２４に沿って設けられ所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されることができ、また、２次元回折格子２４に沿って設けられ複数の量子箱として形成されることができる。各量子細線は、その長手方向と直交する２方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法(例えば、数十ｎｍ程度)を有する。各量子箱は、互いに直交する３方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法(例えば、数十ｎｍ程度)を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。
【００２９】
本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を採用して、発光波長が１．３ミクロンメートル帯の無歪多重量子井戸構造(Separate Confinement Heterostructure Multiple Quantum Well：SCH-MQW)７周期を有機金属気相エピタキシによって成長した。しかしながら、歪超格子構造の活性層を採用することもできる。
【００３０】
第１の閉じ込め層１２上には、２次元回折格子２４が設けられている。２次元回折格子２４は、第１の閉じ込め層１２の一表面に複数の凹部２４ａが３角格子を形成するように設けられている。各凹部２４ａは、柱状(例えば、円柱形状)の空間部として設けられている。各凹部２４ａの中心と、これと最も近い隣接の６個の凹部２４ａの中心との距離は等しい値であり、本実施の形態では、凹部の中心の間隔は０．４２６ミクロンメートル、凹部の深さは０．１ミクロンメートルにとられた。適用できる格子としては、他に正方格子がある。
【００３１】
第１の閉じ込め層１２は第１の屈折率を有し、周期的に形成された空間部は第２の屈折率を有する。空間部には、第１の閉じ込め層１２と異なる物質を埋め込むことが可能である。しかしながら、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるためには、空間部は何も埋め込まない状態(気体、例えば空気が存在する状態、より厳格には、後に説明する接合工程における雰囲気に含まれる気体が存在する状態)であることが好ましい。このように屈折率を大きくとると、第１の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。
【００３２】
第１の閉じ込め層１２の材料、つまり高屈折率の誘電体材料としては、III−V族化合物半導体、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等、または有機材料、例えば８−キノリノールＡｌ錯体(Ａｌｑ3)等を用いることができる。また、空間部を埋め込む材料、つまり低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜(ＳｉＮｘ)等を用いることができる。
【００３３】
２次元回折格子２４は、第１の方向と、この方向と所定の角度をなす第２の方向とに対して、等しい周期(格子定数に対応する値)を有する回折格子である。２次元回折格子２４には、上記の２方向およびそれらの方向の周期に関して様々な選択が可能である。これについては、後ほど説明する。
【００３４】
活性層１６において発生された光が２次元回折格子２４に到達すると、２次元回折格子２４が有する所定の周期にこの光の波長が一致する場合には、その周期に対応する波長において光の位相条件が規定される。２次元回折格子２４によって位相が規定された光は、活性層１６に伝搬し、活性層１６において誘導放出を促す。誘導放出された光は、２次元回折格子２４において規定される光の波長および位相条件を満足する。この光は再び２次元回折格子２４へ伝搬する。このようにして、波長及び位相条件の揃った光が発生され増幅されていく。
【００３５】
このような現象は、活性層１６および２次元回折格子２４が２次元的に広がりをもって形成されているので、アノード電極２０を中心にしたある領域において生じうる。波長および位相条件の揃った光は、活性層１６または２次元回折格子２４に垂直な方向に向けて伝搬し光放出面２６から放出される。
【００３６】
本実施の形態において実現された半導体発光デバイスの各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、
基板１０ ：１００μｍ
第１の閉じ込め層１２：０．１μｍ
第２の閉じ込め層１４：０．１μｍ
活性層１６ ：０．１μｍ
第３の閉じ込め層１８：０．１μｍ
となる。
【００３７】
続いて、２次元回折格子について具体例を掲げながら説明する。２次元回折格子は、少なくとも２方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような２次元格子は、正三角形、正方形、正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を３角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を六角格子とそれぞれ呼ぶ。
【００３８】
図２は、２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。３角格子は、一辺の長さがａである正三角形によって埋め尽くされている。図２において、任意に選択された格子点Ａに着目し、格子点Ａから格子点Ｂに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ａから格子点Ｃへ向かう方向をＸ−Ｊ方向と呼ぶ。本実施の形態では、活性層において発生される光の波長がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００３９】
２次元回折格子２４は、以下に説明する３個の１次元回折格子群Ｌ、Ｍ、Ｎを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｌは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3等から成る。１次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０度の角度を方向に向けて設けられた１次元格子Ｍ1、Ｍ2、Ｍ3等から成る。１次元回折格子群Ｎは、Ｘ軸方向に対して６０度の方向に向けて設けられた１次元格子Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3等から成る。３格子群は、任意の格子点を中心に１２０度の角度で回転すると重なりあう。各格子群において、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔はａである。
【００４０】
まず、格子群Ｌに関して考える。格子点Ａから格子点Ｂの方向に進む光は、格子点Ｂにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ(ｍ＝０、±１、・・)によって規定され、ここで、λは第１の閉じ込め層内における光の波長である。２次のブラッグ反射(ｍ＝±２)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±６０゜、±１２０゜の角度に別の格子点Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇが存在する。また、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点Ａ、Ｇが存在する。
【００４１】
格子点Ｂにおいて、例えば格子点Ｄの方向に向けて回折された光は、格子点Ｄにおいて格子群Ｍに従って回折される。この回折は、格子群Ｌに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｄにおいて格子点Ｈに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。このようにして順次、格子点Ｈ、格子点Ｉ、格子点Ｊと回折されていく。格子点Ｊから格子点Ａに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。
【００４２】
以上、説明したように、格子点Ａから格子点Ｂに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ａに到達する。このため、半導体発光デバイス１は、従来の半導体レーザのように２つの光反射面から成る光共振器を備えていないけれども、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るということは、２次元回折格子２４が光共振器、つまり波長選択器および反射器、として作用することを示している。
【００４３】
さらに、２次元回折格子２４では、上記の説明が任意の格子点Ａにおいて行われたことを考慮すると、上記のような光の回折は、２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって２次元的に相互に結合していると考えられる。２次元回折格子２４では、この２次元的結合によって３つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００４４】
図３は、図２に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。逆格子空間におけるブリリアンゾーンの中心Γ点、このΓ点と隣接ブリリアンゾーンのΓ点とを結んだ直線がブリリアンゾーンの境界と交差するＸ点、互いに隣接する３ブリリアンゾーンが一点において接するＪ点が示されている。図３におけるΓ点、Ｘ点、Ｊ点から規定される方向は、図２に説明において参照したΓ−Ｘ方向およびΓ−Ｊ方向に対応する。
【００４５】
図４（ａ）は、図２に示された２次元３角格子について、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるΓ点近傍における拡大図である。
【００４６】
図１の第１の閉じ込め層１２は、図４（ａ）に示された分散関係、つまりフォトニックバンド構造を有する。本明細書において、フォトニックバンド構造とは、媒質内に設けられた少なくとも２次元の周期的な屈折率分布に基づき光子のエネルギに対して規定された分散関係をいう。
【００４７】
本実施の形態における活性層の自然放出光は、図４（ａ）の縦軸(周波数)の０．３５付近に相当する。活性層の自然発光帯をΓ点の近傍と合わせるようにされている。レーザ発振は、光の群速度が零になり大きな状態密度を持つバンド端において起こると考えられる。図４（ｂ）を参照すると、バンド端は、Γ点またはΓ点の近傍に存在するので、レーザ発振はΓ−Ｘ方向を基本に起こると考えることができる。
【００４８】
図５は、２次元回折格子として、格子間隔がｂである正方格子を描いた図面である。正方格子は、一辺の長さがｂである正方形で埋め尽くされている。図５において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向Ｘ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、活性層において発生される光の波長は、Ｘ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００４９】
２次元回折格子２５は、以下に説明する２個の１次元回折格子群Ｕ、Ｖを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｕは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｕ1、Ｕ2、Ｕ3等から成る。１次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3等から成る。２格子群は、任意の格子点を中心に９０゜の角度で回転すると重なりあう。各格子群において、１次元格子間の間隔はｂであり、１次元格子内の間隔はｂである。
まず、格子群Ｕに関して考える。格子点Ｗから格子点Ｐの方向に進む光は、格子点Ｐにおいて回折現象を生じる。回折方向は、３角格子の場合と同様に、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ(ｍ＝０、±１、・・)によって規定される。２次のブラッグ反射(ｍ＝±２)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±９０゜の角度に別の格子点Ｑ、Ｒが存在し、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点Ｗ、Ｓが存在する。
【００５０】
格子点Ｐにおいて格子点Ｑの方向に向けて回折された光は、格子点Ｑにおいて格子群Ｖに従って回折される。この回折は、格子群Ｕに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｑにおいて格子点Ｔに向けて回折される光は、格子群Ｕに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Ｔから格子点Ｗに向けて回折される光は、格子群Ｖに従って回折される。
【００５１】
以上、説明したように、格子点Ｗから格子点Ｐに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ｗに到達する。このため、半導体発光デバイス１は従来の半導体レーザのように２つの光反射面から成る光共振器を備えていないけれども、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻ることは、２次元回折格子２５が光共振器、つまり波長選択器および反射器、として作用することを示している。この反射器によって位相整合が達成される。
【００５２】
さらに、２次元回折格子２５では、上記の説明が任意の格子点Ｗにおいて行われたことを考慮すると、２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、２次元的なブラッグ回折によて相互に結合していると考えられる。２次元回折格子２５では、この２次元的結合によってＸ−Γ方向が結合し合ってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００５３】
２次元回折格子は、レーザ発振光の単一モード化を実現するために、位相シフト構造を備えることができる。図６および図７は、図５に示された正方格子に対して位相シフト構造を適用した図面である。図示の回折格子は、同一周期の格子を複数含み、それらは互いに周期の半分だけシフトされた状態で配置されている。
【００５４】
図６を参照すると、Ｘ軸方向に沿って周期ｄのＶa格子群およびＶb格子群が設けられている。Ｖa格子は１次元回折格子Ｖa1、Ｖa2、Ｖa3、Ｖa4を備え、Ｖb格子は１次元回折格子Ｖb1、Ｖb2、Ｖb3、Ｖb4を備える。Ｖa格子およびＶb格子は、１次元格子Ｖa4とＶb1との間の間隔がｄ／２となるように配置されている。Ｙ軸方向に沿って周期ｄのＵa格子群およびＵb格子群が設けられている。Ｕa格子は１次元回折格子Ｕa1、Ｕa2、Ｕa3、Ｕa4を備え、Ｕb格子は１次元回折格子Ｕb1、Ｕb2、Ｕb3、Ｕb4を備える。Ｕa格子およびＵb格子は、１次元格子Ｕa4とＵb1との間の間隔がｄ／２となるように配置されている。
【００５５】
図７を参照すると、Ｘ軸方向に沿って周期ｄのＶc格子群およびＶd格子群が設けられている。Ｖc格子は１次元回折格子Ｖc1、Ｖc2、Ｖc3を備え、Ｖd格子は１次元回折格子Ｖd1、Ｖd2、Ｖd3を備える。Ｖc格子およびＶd格子は、１次元格子Ｖc4とＶc1との間の間隔が３ｄ／２となるように配置されている。Ｙ軸方向に沿って周期ｄのＵc格子群およびＵd格子群が設けられている。Ｕc格子は１次元回折格子Ｕc1、Ｕc2、Ｕc3、Ｕc4を備え、Ｕd格子は１次元回折格子Ｕd1、Ｕd2、Ｕd3、Ｕc4を備える。Ｕc格子およびＵd格子は、１次元格子Ｕc4とＵd1との間の間隔が３ｄ／２となるように配置されている。
【００５６】
図６および図７に示された位相シフト構造以外にも、Ｕ格子とＶ格子が部分的に重複して設けられるような位相シフト構造も適用できる。また、２次元格子内の任意の格子点の１個又は複数個を除去すること、つまり格子欠陥点を導入することによっても位相シフト構造を実現できる。
【００５７】
引き続いて、本発明に係わる半導体発光デバイスの製造方法に関して説明する。以下、ＩｎＰ基板上に３角格子を有する面発光可能な半導体レーザを製造する工程を順に説明するが、適用される半導体材料等は例示的にであり、本発明はこれに限られるものはない。
【００５８】
２次元回折格子は、例えば以下のように作製される。面方位(001)を有する第１のＮ型ＩｎＰ半導体基板(以下、第１の基板という)１０を準備する。第１の基板１０の主面上に、有機金属気相エピタキシ(ＭＯＶＰＥ)法を用いてＮ型ＩｎＰ半導体層１２を成長する。図８は、第１の基板１０上にＮ型ＩｎＰ半導体層１２が形成された後の工程を示す斜視図である。
【００５９】
Ｎ型ＩｎＰ半導体層１２の表面に２次元回折格子をフォトリソグラフィック法およびエッチング法を用いて形成する。図９は、２次元回折格子が形成された後の工程を示す斜視図である。
【００６０】
半導体層１２の表面１２ａに感光剤を塗布する。この感光剤上に、電子ビーム描画装置(例えば、ELIONIX ELS-3700)を用いて、回折格子パターンを描画する(描画工程)。この後、感光剤を現像すると、、回折格子パターンが形成されたエッチングマスクが完成する。このマスクが有する回折格子パターンは、引き続くエッチング工程においてエッチングされるべき半導体層１２の表面１２ａ(以下、第１の表面ともいう)に所定形状の複数の開口を有している。
【００６１】
エッチングマスクを用いて、半導体層１２の所定部分に凹部を形成する(エッチング工程)。エッチングは、反応性イオンエッチング装置(例えば、SACOM RIE-10N)を用いて行う。マスクの開口部の半導体層１２は、エッチングによって除去され、所定の深さの凹部が形成される。図９は、２次元回折格子２４が第１の表面１２ａに形成された第１の部品２８の斜視図である。図９においては、２次元回折格子２４として、周期的に配列された複数の略円形の断面の凹部２４ａを有している。各凹部は、凹部２４ａの配列が回折格子として機能し得る程度の深さ、例えば０．１μｍ程度、に形成されている。
【００６２】
次に、面方位(001)を有する第２のＰ型ＩｎＰ半導体基板(以下、第２の基板という)３０を準備する。第２の基板３０の主面上に、有機金属気相エピタキシ(ＭＯＶＰＥ)法を用いてＰ型ＩｎＰ半導体層１８を成長する。
【００６３】
次いで、Ｐ型ＩｎＰ半導体層１８上にアンドープ活性層１６を成長する。本実施の形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ構造を有するように活性層１６を形成する。この活性層よって、１．３μｍ帯の光が発生可能になる。さらに、このようなＭＱＷ構造の両側に、ＭＱＷ構造部にキャリアを閉じ込めるための分離閉じ込めヘテロ構造層(separate confinement heterostructrue)を形成することもできる。これによって、２次元的に広がる活性層にキャリアを効率的に閉じ込めることができる。
【００６４】
この後に、活性層１４上にＭＯＶＰＥ法を用いてＮ型ＩｎＰ半導体層１４を成長する。なお、本実施の形態では、第１の部品２８のＮ型ＩｎＰ半導体層１２の表層に２次元回折格子２４を形成したけれど、この２次元回折格子２４に代えて、またはこの２次元回折格子２４と共に、Ｎ型ＩｎＰ半導体層１４の表面(以下、第２の表面ともいう１４ａの表層に２次元回折格子を形成することもできる。
【００６５】
これによって第２の部品３２が完成する。図１０は、第２の部品３２の斜視図である。第２の部品３２は、第２の基板３０の主面上に順次形成されたＰ型ＩｎＰ半導体層１８、アンドープ活性層１６、およびＮ型ＩｎＰ半導体層１４を備える。最後に形成された半導体層１４の表面１４ａが露出している。
【００６６】
次いで、第１の部品２８と、第２の部品３２とを接合する。この接合工程では、第１の表面１２ａと第２の表面１４ａとが向き合うように第１の部品２８および第２の部品３２を接合する。この接合は、本実施の形態では、融着によって行う(融着工程)。
【００６７】
接合されるべき第１の表面１２ａおよび第２の表面１４ａを清浄にするために、第１の部品２８および第２の部品３２を化学的に処理し、付着した汚染物、形成された自然酸化膜等を除去する。この化学的な処理は、第１の部品２８および第２の部品３２を処理溶液、例えばバッファフッ化水素酸溶液(ＮＨ4Ｆ：ＨＦ＝１：６)にさらすことによって行なわれる。
【００６８】
引き続いて、図１１に示すように、第１の表面１２ａと第２の表面１４ａとを向き合わせて、第１の部品２８および第２の部品３２を重ね合わせる。第１の部品２８と第２の部品３２との間には、上記表面１２ａ、１４ａが十分に密着するように所定の圧力(荷重)を加える。この状態で、十分な融着が達成されるような温度に所定の時間さらす。
【００６９】
このような融着条件を例示的に示せば、還元性雰囲気、例えばＨ2雰囲気中において、
温度：６２０℃
時間：３０分
荷重：１．７Ｎ／ｃｍ2
である。また、このような熱処理には、不活性ガス雰囲気、例えばＮ2、Ａｒ、Ｈｅ等の少なくともいずれかを含む雰囲気も適用できる。この熱処理によって、第１の部品２８と第２の部品３２との融着が達成された。図１２の斜視図は、第１の部品２８と第２の部品３２とが融着されることによって形成された第３の部品３４を示す。
【００７０】
第３の部品３４において、第１の基板１０および第２の基板３０の少なくとも一方を除去することができる(除去工程)。活性層１６からの光を放出するための光放出面を形成するために基板の一方を除去することができる。このような基板の除去は、選択エッチング条件によって行うことができる。本実施の形態において第２の基板３０に適用した選択エッチングを例示すれば、塩酸(HCl)および水を含む混合溶液、いわゆる塩酸系のエッチャントを用いてウエットエッチングする方法がある。エッチングによって基板を除去すれば、活性層１６から光放出面２６までの距離が短縮される。
【００７１】
図１３の斜視図は、第２の基板３０が除去されることによって形成された第４の部品３６を示す。第４の部品３６は、第２の基板３０が除去されることによってＰ型ＩｎＰ半導体層１８の一表面(第３の表面ともいう)１８ａが露出される。図１３においても部分的に示されているように、第４の部品３６は、２次元回折格子２４が層間に埋め込まれた構造を有する。２次元回折格子２４を構成する空間２４ａは、半導体層１２と半導体層１４によってその周囲を囲まれている。
【００７２】
第４の部品３６の第３の表面１８ａにアノード電極（図１の２０）を形成すると共に、第１の基板１０の裏面１０ａにカソード電極（図１の２２）を形成すると、本発明に係わる半導体発光デバイスの主要な工程が完了する。これによって、図１に示された半導体発光デバイス１が得られる。
【００７３】
本発明に係わる半導体発光デバイスは、複数の２次元回折格子２４，４４を備えることができる。これらの２次元回折格子２４，４４は、活性層１０を挟んで設けられることが好ましい。これによって、回折効率を高めることができる。２つの２次元回折格子は、それぞれの格子の格子点が活性層を挟んで対象になるように設けられることができ、また、周期の半分に相当する距離だけシフトさせて設けられることができ、非対称にも配置されることができる。以下、複数の回折格子を有する半導体発光デバイスの製造方法について説明する。
【００７４】
図１４は、第４の部品３６および第５の部品３８とを接合する工程を示す斜視図である。この接合工程では、まず、第４の部品３６および第５の部品３８を準備する。第４の部品の形成方法は既に説明したので、第５の部品３８の形成方法について説明する。第５の部品３８は、第１の部品２８と類似の構造を有する。つまり、第５の部品３８は、Ｐ型ＩｎＰ半導体基板(以下、第３の基板ともいう)４０上に形成されたＰ型ＩｎＰ半導体層４２を有する。Ｐ型ＩｎＰ半導体層４２の表面(第４の表面ともいう)４２ａには、２次元回折格子４４が形成されている。２次元回折格子４２は、Ｐ型ＩｎＰ半導体層４２の表層に形成された複数の凹部４２ａを有する。複数の凹部４２ａは、２次元回折格子を形成するように配置されている。第５の部品３８はこのような構造を有するので、第１の部品２８と同様の工程を経て形成されることができる。なお、２次元回折格子４２を第５の部品３８に形成する場合について説明したが、この２次元回折格子４４に代えて、またはこの２次元回折格子と共に、第４の部品３６の第３の表面１８ａに２次元回折格子を形成することもできる。
【００７５】
続いて、第３の表面１８ａと第４の表面４２ａとが向き合うように、第４の部品３６および第５の部品３８を接合する。この接合工程は、既に説明した第１の部品２８と第２の部品３２との融着と同様に行うことができるので、融着工程の詳細については省略する。しかしながら、第４の部品３６と第５の部品３８との接合は、この条件に限られることなく別個の手順および条件を適用できる。図１５に示されるように、第４の部品３６と第５の部品３８とを接合することによって、第６の部品４６が得られる。
【００７６】
また、本発明に係わる半導体発光デバイスの製造方法では、第６の部品４６から、第１の基板１０および第３の基板３８のいずれかを除去することができる。本実施の形態では、第１の基板１０を除去する。この除去工程についても、既に説明した除去工程を適用することができるので、更に詳細な説明は省略する。しかしながら、第６の部品４６を除去する手順および条件は、この条件に限られることなく別個の手順および条件を適用できる。
【００７７】
図１６の斜視図は、第１の基板１０が除去されることによって形成された第７の部品４８を示す。第７の部品４８は、第１の基板１０が除去されることによってＰ型ＩｎＰ半導体層１２の一表面(第５の表面ともいう)１２ｂが露出される。図１６においても部分的に示されているように、第７の部品４８は、２次元回折格子２４が半導体層１２と半導体層１４との間に埋め込まれ、また、２次元回折格子４４が半導体層１８と半導体層４０との間に埋め込まれた構造を有する。２次元回折格子２４を構成する空間２４ａは、半導体層１２と半導体層１４によってその周囲を囲まれている。２次元回折格子４４を構成する空間４４ａは、半導体層１８と半導体層４０によってその周囲を囲まれている。
【００７８】
第７の部品４８の第５の表面１２ｂにカソード電極（図１の２２に相当する電極）を形成すると共に、第４の基板３８の裏面３８ａにアノード電極（図１の２０に相当する電極）を形成すると、本発明に係わる別の実施の形態の半導体発光デバイスの主要な工程が完了した。
【００７９】
また、このような半導体発光デバイスは、第５の表面１２ｂおよび第４の基板３８の裏面３８ａの少なくともいずれかの面から光を取り出すことが可能である。したがって、本発明に係わる半導体発光デバイスを搭載部材、例えばリードフレーム、チップキャリア、プリント基板等に搭載する際にも、上記の面１２ｂおよび面３８ａのいずれかを搭載部材に対面させて配置することができる。このため、搭載部材を放熱経路として効果的に利用できる。このとき、半導体発光デバイスは、搭載部材の搭載面に対してこのデバイスの光軸が所定の角度、例えば９０゜をなすように配置される。
【００８０】
いくつかの製造工程によって作製される半導体発光デバイスを示したけれども、本発明は、説明された構造以外にも、活性層１６を挟んで設けられた複数の２次元回折格子２４、４４の内の一方、例えば、２次元回折格子４４のみを有するような構造を採用することもできる。
【００８１】
説明したような構造を有する半導体発光デバイスの発光特性を測定した。
【００８２】
図１７（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイス電流−出力パワー特性を示す特性図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の矢印の位置における発振スペクトルである。この半導体発光デバイスは、３角格子構造を有する半導体発光デバイスがレーザ発振することを確認するために作製された。このため、光放出面には、ブロードエリア型電極(例えば２００μｍ幅で長手方向に延びた矩形電極)と、この周囲に面発光領域とを有する。３角格子は、デバイス全面に形成されている。
【００８３】
室温、周期１ｍｓ、パルス幅５００ｎｓの条件において測定した結果、電流密度Ｊth＝３．９ｋＡ／ｃｍ2の発振しきい値電流を得ることができた。この電流密度以下では、発光ダイオード(ＬＥＤ)として動作している。レーザ発振スペクトルは、図１７（ｂ）に示されるように単一波長である。この波長は、三角格子によって規定されている。また、近視野像は、３角格子の対称性を反映した発振パターンを有する。近視野像に基づけば、レーザ発振は、Γ−Ｘ方向に平行な方向に起こっている。注入電流を増加していくと、Γ−Ｊ方向にも発光領域が広がっていく傾向にある。故に、大面積でレーザ発振していることが分かる。
【００８４】
図１８（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイス電流−出力パワー特性を示す特性図であり、図１８（ｂ）は、発振しきい値電流密度Ｉthの１．６１倍の電流密度における発振スペクトルである。この半導体発光デバイスは、全方向に均一なレーザ発振を目的としているので、光放出面の中央に直径３５０μｍを有する円形の電極を設けた。３角格子は、デバイス全面に形成されている。
【００８５】
室温、周期１ｍｓ、パルス幅５００ｎｓの条件において測定した結果、電流密度Ｊth＝３．３ｋＡ／ｃｍ2の発振しきい値電流を得ることができた。この電流密度以下では、発光ダイオード(ＬＥＤ)として動作している。レーザ発振スペクトルは、図１８（ｂ）に示されるように２モードで動作していることが確認され、発振波長の間隔は△λ＝２８オングストロームであり、これは、図４（ｂ）に示されたバンド端の間隔(Ａ−Ｂ間)に良く一致している。各モードは、それぞれ波長の異なるバンド端に対応している可能性がある。
【００８６】
また、近視野像は、全面において発振がおこっていることを示している。遠視野像は、出射角１．８゜と非常に狭く、ほぼ円形のビーム形状を示している。これらの結果は、２次元フォトニックバンド構造における２次元的な光の結合によって、大面積且つコヒーレントな発振が面内でおこっていることを示していると考えられる。
【００８７】
以上、データを示しながら説明したように、本発明によれば面発光可能な発光デバイスを提供できることが明らかになった。
【００８８】
上記のフォトニックバンド構造には、(1)制御対象の光と同程度の微細加工を必要とする、(2)光をより効率的に制御するために空気と半導体のような大きな屈折率変化を持つ周期構造が必要とされる、(3)２次元まはた３次元のような高次元の発光を制御するためには同じ次元の周期構造を形成する必要がある、といった要求がある。半導体レーザの部分的な構造を有する部品に対してウエハ融着法を適用すると、このような要求を満たす２次元回折格子が内蔵された発光デバイスを容易に作製することができる。したがって、フォトニックバンド構造を内蔵した発光デバイスを形成可能になる。
【００８９】
また、本発明の実施の形態では、半導体内部に２次元・３次元構造を形成できる方法として、ウエハ融着法を用いるようにした。この方法によって、２次元フォトニックバンド構造内蔵面発光型発光ダイオード(ＬＥＤ)と共に、２次元フォトニックバンド構造内蔵の面発光レーザを作製した。さらに円形の電流注入領域を形成したデバイスを作製すると、全面でのレーザ発振を確認でき、遠視野像において１．８゜という非常に狭い出射角を得ることができた。この結果は、２次元フォトニックバンド構造に基づく２次元的な光の結合による大面積・コヒーレントな発振が起った結果と考えられる。フォトニックバンド構造を内蔵することは、面発光レーザに適していると考えられる。また、ウエハ融着法は、空気／半導体２次元回折格子(発光されるべき光に対して透明な導波層内または半導体層内に周期的に設けられた空間に基づく２次元回折格子)を形成する方法として好適であることが示された。
【００９０】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザによれば、２次元回折格子が、活性層において発生されるべき光の波長を規定するように設けられている。このため、活性層において発生された光は、２次元回折格子によって２次元的に結合され光放出面から放出される。したがって、面発光が可能な半導体レーザが提供された。
【００９１】
また、本発明の半導体レーザの製造方法によれば、基板を含む一方の部品の接合面上に２次元格子を形成した後に、この部品と他方の部品とを接合するようにした。したがって、面発光が可能な半導体レーザの製造方法が提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明に係わる半導体発光デバイスの斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ断面における断面図である。
【図２】図２は、２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。
【図３】図３は、図２に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。
【図４】図４（ａ）は、図２に示された２次元３角格子についてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるΓ点近傍における拡大図である。
【図５】図５は、２次元回折格子として、格子間隔がｂである正方格子を描いた図面である。
【図６】図６は、図５に示された正方格子に対して適用した位相シフト構造を適用した図面である。
【図７】図７は、図５に示された正方格子に対して適用した位相シフト構造を適用した図面である。
【図８】図８は、第１の基板上にＮ型ＩｎＰ半導体層が形成された後の工程を示す斜視図である。
【図９】図９は、２次元回折格子が形成された後の工程を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、第２の部品の斜視図である。
【図１１】図１１は、第１の表面と第２の表面とが向き合わせて、第１の部品と第２の部品とを接合する工程を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、第１の部品と第２の部品とが接合されることによって形成された第３の部品を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、第２の基板が除去されることによって形成された第４の部品を示すの斜視図である。
【図１４】図１４は、第４の部品および第５の部品を接合する工程を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、第４の部品と第５の部品とを接合し第６の部品を形成する工程の斜視図である。
【図１６】図１６は、第１の基板が除去し、第７の部品を形成する工程を示す斜視図である。
【図１７】図１７（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイスの電流−発振パワー特性を示す特性図であり、図１７（ｂ）は、そのようなデバイスの発振スペクトルである。
【図１８】図１８（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイスの電流−発振パワー特性を示す特性図であり、図１８（ｂ）は、そのようなデバイスの発振スペクトルである。
【符号の説明】
１…半導体発光デバイス、１０…基板、１２…第１の閉じ込め層、１４…第２の閉じ込め層、１６…活性層、１８…第３の閉じ込め層、２０…アノード電極、２２…カソード電極、２４、２５、４４…２次元回折格子、２８…第１の部品、３０…第２の基板、３２…第２の部品、３４…第３の部品、３６…第４の部品、３８…第５の部品、４６…第６の部品、４８…第７の部品、
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光が可能な半導体発光デバイス、およびこのような半導体発光デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光が可能な半導体レーザとしては、ＤＢＲ型半導体レーザがある。この面発光型レーザは、発光方向に沿って設けられブラッグ反射に基づく１次元回折格子を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＤＢＲ型半導体レーザは、発光方向に沿って１次元回折格子を形成するために周期構造を設ける必要がある。このような周期構造は、屈折率の異なる層を周期的になるように繰り返し形成する必要がある。
【０００４】
本発明の目的は、従来とは異なった構成を有する面発光が可能な半導体レーザ、およびこのような半導体レーザの製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者は、半導体レーザに必要な構成を検討した。半導体レーザは、一般には、光を発生する活性層を備える。また、レーザ発振すべき波長を規定するためには、波長選択機能を有する部分が必要である。更に、面発光を可能にするためには、発生された光を２次元的に取り出すことが必要である。
【０００６】
そこで、本発明を以下のような構成とした。
【０００７】
本発明の半導体レーザは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層と、２次元回折格子と、光放出面とを備える。本発明の半導体レーザは、基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、前記基板の主面上に設けられた第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層に挟まれ、キャリアが注入されると光を発生する活性層と、前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層と光学的に結合され、当該半導体レーザによって発生されるべきレーザ光の波長を規定する２次元回折格子と、前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、を備え、２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、回折格子群の各々は同一の周期を有しており、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、当該半導体レーザのレーザ共振器は、前記活性層と前記２次元回折格子とを含む。
また、本発明の半導体レーザでは、２次元回折格子は第１の屈折率を有する媒質内に２次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分を有し、第１の屈折率は前記第２の屈折率よりも大きく、前記第２の屈折率の部分は第１の屈折率を有する媒質が除かれた空間であることが好ましい。
【０００８】
第１導電型半導体層および第２導電型半導体層は、基板の主面上に設けられている。活性層は、キャリアが注入されると光を発生するように設けられ、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層に挟まれている。２次元回折格子は、活性層において発生されるべき光の波長を規定するように設けられ、基板の主面が延びる方向に沿って延びている。
【０００９】
この結果、活性層において発生され２次元回折格子によって波長が規定された光が、光放出面から放出される。この光放出面は、２次元回折格子が延びる方向に沿って設けられている。
【００１０】
本発明の半導体レーザでは、２次元回折格子は、第１の屈折率を有する媒質内に２次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分を有することができる。第１の屈折率は第２の屈折率よりも大きいことが好ましい。第２の屈折率の部分は、第１の屈折率の媒質内に設けられた凹部であることができる。このような２次元回折格子は、三角格子および正方格子のいずれか一方を採用することによって実現されることができる。
【００１１】
本発明の半導体レーザは、活性層を介して２次元回折格子と対向するように設けられた別の２次元回折格子を更に備えることができる。追加された２次元回折格子は、回折効率を高めることを可能にする。両方の２次元回折格子は、回折効率を高めるような周期、例えば同一の周期を有することが好ましい。これらの２次元回折格子は、活性層に関して対称に設けることができ、また非対称に設けることができる。好ましくは、この２次元回折格子は、２以上の回折格子群からなり、該回折格子群の各々は同一の周期を有しており、 各回折格子群は、それぞれ異なる方向に伸びている。
【００１２】
本発明の半導体レーザは、活性層にキャリアを与えるための電極を更に備えることができる。このような電極は、光放出面上に設けられることができる。このため、活性層に対して２次元的にキャリアを与えることができる。電極の材料は、活性層において発生された光に対して透明であることが好ましい。
【００１３】
本発明の半導体レーザでは、活性層は、キャリアが注入されると光を発生する複数の発光部と、複数の発光部を分離するように設けられた分離部とを有することができる。このような活性層の形態は、以下に例示的に列挙される様々な構造によって実現される。２次元量子井戸構造は、複数の半導体層を積層することによって実現される。１次元量子井戸構造は、回折格子に沿って設けられた量子細線を形成することによって実現される。０次元量子井戸構造は、回折格子に沿って設けられた量子箱を形成することによって実現される。活性層の形態は、ここに列挙された構造に限定されることはない。活性層は、２次元回折格子に光を提供できるように設けられ、また光放出面に沿って設けられることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の半導体レーザは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層と、フォトニックバンド層と、光放出面とを備える。この半導体レーザは、基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、前記基板の主面上に設けられた第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられ、キャリアが注入されると光を発生する活性層と、前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層と光学的に結合され、当該半導体レーザによって発生されるべきレーザ光の波長を規定するフォトニックバンド構造を有するフォトニックバンド層と、前記フォトニックバンド層が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、を備え、フォトニックバンド層は２以上の回折格子群からなり、回折格子群の各々は同一の周期を有しており、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、当該半導体レーザのレーザ共振器は、前記活性層と前記フォトニックバンド層とを含む。
【００１５】
本発明に係る半導体レーザの製造方法は、第１の基板を含み第１の表面を有する第１の部品を準備する工程と、第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層を第２の基板の主面上に順に堆積し、前記主面が延びる方向に沿って第２の表面を有する第２の部品を形成する工程と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくともいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための２次元回折格子を形成する格子工程と、格子工程の後に、前記第１の表面と前記第２の表面とが向き合うように前記第１の部品および前記第２の部品を接合して、前記活性層と前記２次元回折格子とから構成されるレーザ共振器を形成する工程と、を備え、２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、回折格子群の各々は同一の周期を有している。
【００１６】
接合されるべき面に２次元格子を形成した後に、この２次元格子を挟むように２部品を接合するようにした。このため、２次元格子を形成した表面上に他の層を堆積することがない。故に、他の層の形成に影響を与えることなく２次元格子が形成される。また、２次元回折格子の形成面が接合されるので、他の層の形成から影響を受けることはない。
【００１７】
また、本発明に係わる半導体レーザの製造方法は、第１の基板および第２の基板の少なくとも一方を除去し光放出面を形成する工程を更に備えることができる。基板の一方を除去すれば、光が発生される活性層から光放出面までの距離が縮小される。
【００１８】
本発明に係る半導体レーザの製造方法は、第１の基板を含み第１の表面を有する第１の部品を準備する工程と、第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層を第２の基板の主面上に順に堆積し、前記主面が延びる方向に沿って第２の表面を有する第２の部品を形成する工程と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくともいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための２次元回折格子を形成する格子工程と、格子工程の後に、前記第１の表面と前記第２の表面とが向き合うように前記第１の部品および前記第２の部品を接合し第３の部品を形成する工程と、前記第３の部品から前記第１の基板を第３の表面が現れるように除去し第４の部品を形成する工程と、第３の基板を含み第４の表面を有する第５の部品を準備する工程と、前記第３の表面および前記第４の表面のいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための別の２次元回折格子を形成する工程と、前記第３の表面と前記第４の表面とが向き合うように、前記第４の部品および前記第５の部品を接合して、前記活性層、前記２次元回折格子および前記別の２次元回折格子から構成されるレーザ共振器を形成する工程と、を備え、２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に伸びており、回折格子群の各々は同一の周期を有している。
【００１９】
このように、作り込むべき２次元回折格子を張り合わせ面に形成すれば、２次元回折格子を必要な数だけ積層することができる。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザの製造方法は、接合された第４の部品および第５の部品から、第１の基板および第３の基板のいずれかを除去し、光放出面を形成する工程を更に備えることができる。
【００２１】
本発明に係わる半導体レーザの製造方法では、２次元回折格子を形成する工程は、活性層において発生されるべき光の波長に対応したフォトニックバンド構造を形成するように規定された２次元回折格子パターンを持つマスクを第１の表面および第２の表面の少なくともいずれか一方に形成する工程、マスクを用いてエッチングし、２次元回折格子を形成する工程、を有することができる。
【００２２】
また、本発明に係わる半導体レーザの製造方法では、２次元回折格子を形成する工程は、活性層において発生されるべき光の波長に対応したフォトニックバンド構造を形成するように規定された２次元回折格子パターンを持つマスクを第３の表面および第４の表面のいずれか一方に２次元回折格子を形成し、マスクを用いてエッチングし、２次元回折格子を形成する、それぞれの工程を有することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。同一および類似の部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２４】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係わる半導体発光デバイスの斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ断面における断面図である。
【００２５】
半導体発光デバイス１は、基板１０、第１の閉じ込め層１２、第２の閉じ込め層１４、活性層１６、第３の閉じ込め層１８、および２次元回折格子２４を備える。基板１０としては、所定の面方位、例えば(001)のＮ型ＩｎＰの半導体基板を採用することができる。第１の閉じ込め層１２および第２の閉じ込め層１４としては、Ｎ型ＩｎＰの半導体層を採用することができる。第３の閉じ込め層１８としては、Ｐ型ＩｎＰの半導体層を採用することができる。第１の閉じ込め層１２、第２の閉じ込め層１４および第３の閉じ込め層１８は、基板１０の主面上にこの順序で積層されている。
【００２６】
第３の閉じ込め層１８の表面１８ａ上には、円形状のアノード電極２０が設けられている。このため、全方向に均一な発光が可能になる。アノード電極２０が形成されていない表面１８ａの部分は、光放出領域として機能する。基板１０の主面に対向する裏面上には、カソード電極２２が一面に設けられている。これらの電極２０、２２は、金(Ａｕ)系電極を用いることができる。この材料に限られるものではなく、活性層１６で発生される光の波長に透明な導電性の材料を用いることができる。
【００２７】
第２の閉じ込め層１４および第３の閉じ込め層１８は、活性層に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このため、これらの閉じ込め層１４，１８は、活性層を挟むように設けられている。また、第２の閉じ込め層１４および第３の閉じ込め層１８は、共に、活性層１６にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるように設けることができる。つまり、第２の閉じ込め層１４、活性層１６、および第３の閉じ込め層１８は、ダブルヘテロ接合を形成するように設けることができる。このため、発光に寄与するキャリアを活性層１６に集中させることができる。
【００２８】
活性層１６は、キャリアが注入されると光を発生する。発生される光の波長は、活性層１６が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。活性層１６は、単一の半導体材料を用いて形成されることができる。また、活性層１６は、単一または多重量子井戸構造を形成するように設けることもできる。さらに、活性層１６は、２次元回折格子２４に沿って設けられ所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されることができ、また、２次元回折格子２４に沿って設けられ複数の量子箱として形成されることができる。各量子細線は、その長手方向と直交する２方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法(例えば、数十ｎｍ程度)を有する。各量子箱は、互いに直交する３方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法(例えば、数十ｎｍ程度)を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。
【００２９】
本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を採用して、発光波長が１．３ミクロンメートル帯の無歪多重量子井戸構造(Separate Confinement Heterostructure Multiple Quantum Well：SCH-MQW)７周期を有機金属気相エピタキシによって成長した。しかしながら、歪超格子構造の活性層を採用することもできる。
【００３０】
第１の閉じ込め層１２上には、２次元回折格子２４が設けられている。２次元回折格子２４は、第１の閉じ込め層１２の一表面に複数の凹部２４ａが３角格子を形成するように設けられている。各凹部２４ａは、柱状(例えば、円柱形状)の空間部として設けられている。各凹部２４ａの中心と、これと最も近い隣接の６個の凹部２４ａの中心との距離は等しい値であり、本実施の形態では、凹部の中心の間隔は０．４２６ミクロンメートル、凹部の深さは０．１ミクロンメートルにとられた。適用できる格子としては、他に正方格子がある。
【００３１】
第１の閉じ込め層１２は第１の屈折率を有し、周期的に形成された空間部は第２の屈折率を有する。空間部には、第１の閉じ込め層１２と異なる物質を埋め込むことが可能である。しかしながら、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるためには、空間部は何も埋め込まない状態(気体、例えば空気が存在する状態、より厳格には、後に説明する接合工程における雰囲気に含まれる気体が存在する状態)であることが好ましい。このように屈折率を大きくとると、第１の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。
【００３２】
第１の閉じ込め層１２の材料、つまり高屈折率の誘電体材料としては、III−V族化合物半導体、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等、または有機材料、例えば８−キノリノールＡｌ錯体(Ａｌｑ3)等を用いることができる。また、空間部を埋め込む材料、つまり低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜(ＳｉＮｘ)等を用いることができる。
【００３３】
２次元回折格子２４は、第１の方向と、この方向と所定の角度をなす第２の方向とに対して、等しい周期(格子定数に対応する値)を有する回折格子である。２次元回折格子２４には、上記の２方向およびそれらの方向の周期に関して様々な選択が可能である。これについては、後ほど説明する。
【００３４】
活性層１６において発生された光が２次元回折格子２４に到達すると、２次元回折格子２４が有する所定の周期にこの光の波長が一致する場合には、その周期に対応する波長において光の位相条件が規定される。２次元回折格子２４によって位相が規定された光は、活性層１６に伝搬し、活性層１６において誘導放出を促す。誘導放出された光は、２次元回折格子２４において規定される光の波長および位相条件を満足する。この光は再び２次元回折格子２４へ伝搬する。このようにして、波長及び位相条件の揃った光が発生され増幅されていく。
【００３５】
このような現象は、活性層１６および２次元回折格子２４が２次元的に広がりをもって形成されているので、アノード電極２０を中心にしたある領域において生じうる。波長および位相条件の揃った光は、活性層１６または２次元回折格子２４に垂直な方向に向けて伝搬し光放出面２６から放出される。
【００３６】
本実施の形態において実現された半導体発光デバイスの各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、
基板１０ ：１００μｍ
第１の閉じ込め層１２：０．１μｍ
第２の閉じ込め層１４：０．１μｍ
活性層１６ ：０．１μｍ
第３の閉じ込め層１８：０．１μｍ
となる。
【００３７】
続いて、２次元回折格子について具体例を掲げながら説明する。２次元回折格子は、少なくとも２方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような２次元格子は、正三角形、正方形、正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を３角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を六角格子とそれぞれ呼ぶ。
【００３８】
図２は、２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。３角格子は、一辺の長さがａである正三角形によって埋め尽くされている。図２において、任意に選択された格子点Ａに着目し、格子点Ａから格子点Ｂに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ａから格子点Ｃへ向かう方向をＸ−Ｊ方向と呼ぶ。本実施の形態では、活性層において発生される光の波長がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００３９】
２次元回折格子２４は、以下に説明する３個の１次元回折格子群Ｌ、Ｍ、Ｎを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｌは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3等から成る。１次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０度の角度を方向に向けて設けられた１次元格子Ｍ1、Ｍ2、Ｍ3等から成る。１次元回折格子群Ｎは、Ｘ軸方向に対して６０度の方向に向けて設けられた１次元格子Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3等から成る。３格子群は、任意の格子点を中心に１２０度の角度で回転すると重なりあう。各格子群において、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔はａである。
【００４０】
まず、格子群Ｌに関して考える。格子点Ａから格子点Ｂの方向に進む光は、格子点Ｂにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ(ｍ＝０、±１、・・)によって規定され、ここで、λは第１の閉じ込め層内における光の波長である。２次のブラッグ反射(ｍ＝±２)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±６０゜、±１２０゜の角度に別の格子点Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇが存在する。また、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点Ａ、Ｇが存在する。
【００４１】
格子点Ｂにおいて、例えば格子点Ｄの方向に向けて回折された光は、格子点Ｄにおいて格子群Ｍに従って回折される。この回折は、格子群Ｌに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｄにおいて格子点Ｈに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。このようにして順次、格子点Ｈ、格子点Ｉ、格子点Ｊと回折されていく。格子点Ｊから格子点Ａに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。
【００４２】
以上、説明したように、格子点Ａから格子点Ｂに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ａに到達する。このため、半導体発光デバイス１は、従来の半導体レーザのように２つの光反射面から成る光共振器を備えていないけれども、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るということは、２次元回折格子２４が光共振器、つまり波長選択器および反射器、として作用することを示している。
【００４３】
さらに、２次元回折格子２４では、上記の説明が任意の格子点Ａにおいて行われたことを考慮すると、上記のような光の回折は、２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって２次元的に相互に結合していると考えられる。２次元回折格子２４では、この２次元的結合によって３つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００４４】
図３は、図２に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。逆格子空間におけるブリリアンゾーンの中心Γ点、このΓ点と隣接ブリリアンゾーンのΓ点とを結んだ直線がブリリアンゾーンの境界と交差するＸ点、互いに隣接する３ブリリアンゾーンが一点において接するＪ点が示されている。図３におけるΓ点、Ｘ点、Ｊ点から規定される方向は、図２に説明において参照したΓ−Ｘ方向およびΓ−Ｊ方向に対応する。
【００４５】
図４（ａ）は、図２に示された２次元３角格子について、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるΓ点近傍における拡大図である。
【００４６】
図１の第１の閉じ込め層１２は、図４（ａ）に示された分散関係、つまりフォトニックバンド構造を有する。本明細書において、フォトニックバンド構造とは、媒質内に設けられた少なくとも２次元の周期的な屈折率分布に基づき光子のエネルギに対して規定された分散関係をいう。
【００４７】
本実施の形態における活性層の自然放出光は、図４（ａ）の縦軸(周波数)の０．３５付近に相当する。活性層の自然発光帯をΓ点の近傍と合わせるようにされている。レーザ発振は、光の群速度が零になり大きな状態密度を持つバンド端において起こると考えられる。図４（ｂ）を参照すると、バンド端は、Γ点またはΓ点の近傍に存在するので、レーザ発振はΓ−Ｘ方向を基本に起こると考えることができる。
【００４８】
図５は、２次元回折格子として、格子間隔がｂである正方格子を描いた図面である。正方格子は、一辺の長さがｂである正方形で埋め尽くされている。図５において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向Ｘ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、活性層において発生される光の波長は、Ｘ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００４９】
２次元回折格子２５は、以下に説明する２個の１次元回折格子群Ｕ、Ｖを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｕは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｕ1、Ｕ2、Ｕ3等から成る。１次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3等から成る。２格子群は、任意の格子点を中心に９０゜の角度で回転すると重なりあう。各格子群において、１次元格子間の間隔はｂであり、１次元格子内の間隔はｂである。
まず、格子群Ｕに関して考える。格子点Ｗから格子点Ｐの方向に進む光は、格子点Ｐにおいて回折現象を生じる。回折方向は、３角格子の場合と同様に、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ(ｍ＝０、±１、・・)によって規定される。２次のブラッグ反射(ｍ＝±２)を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±９０゜の角度に別の格子点Ｑ、Ｒが存在し、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点Ｗ、Ｓが存在する。
【００５０】
格子点Ｐにおいて格子点Ｑの方向に向けて回折された光は、格子点Ｑにおいて格子群Ｖに従って回折される。この回折は、格子群Ｕに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｑにおいて格子点Ｔに向けて回折される光は、格子群Ｕに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Ｔから格子点Ｗに向けて回折される光は、格子群Ｖに従って回折される。
【００５１】
以上、説明したように、格子点Ｗから格子点Ｐに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ｗに到達する。このため、半導体発光デバイス１は従来の半導体レーザのように２つの光反射面から成る光共振器を備えていないけれども、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻ることは、２次元回折格子２５が光共振器、つまり波長選択器および反射器、として作用することを示している。この反射器によって位相整合が達成される。
【００５２】
さらに、２次元回折格子２５では、上記の説明が任意の格子点Ｗにおいて行われたことを考慮すると、２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、２次元的なブラッグ回折によて相互に結合していると考えられる。２次元回折格子２５では、この２次元的結合によってＸ−Γ方向が結合し合ってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００５３】
２次元回折格子は、レーザ発振光の単一モード化を実現するために、位相シフト構造を備えることができる。図６および図７は、図５に示された正方格子に対して位相シフト構造を適用した図面である。図示の回折格子は、同一周期の格子を複数含み、それらは互いに周期の半分だけシフトされた状態で配置されている。
【００５４】
図６を参照すると、Ｘ軸方向に沿って周期ｄのＶa格子群およびＶb格子群が設けられている。Ｖa格子は１次元回折格子Ｖa1、Ｖa2、Ｖa3、Ｖa4を備え、Ｖb格子は１次元回折格子Ｖb1、Ｖb2、Ｖb3、Ｖb4を備える。Ｖa格子およびＶb格子は、１次元格子Ｖa4とＶb1との間の間隔がｄ／２となるように配置されている。Ｙ軸方向に沿って周期ｄのＵa格子群およびＵb格子群が設けられている。Ｕa格子は１次元回折格子Ｕa1、Ｕa2、Ｕa3、Ｕa4を備え、Ｕb格子は１次元回折格子Ｕb1、Ｕb2、Ｕb3、Ｕb4を備える。Ｕa格子およびＵb格子は、１次元格子Ｕa4とＵb1との間の間隔がｄ／２となるように配置されている。
【００５５】
図７を参照すると、Ｘ軸方向に沿って周期ｄのＶc格子群およびＶd格子群が設けられている。Ｖc格子は１次元回折格子Ｖc1、Ｖc2、Ｖc3を備え、Ｖd格子は１次元回折格子Ｖd1、Ｖd2、Ｖd3を備える。Ｖc格子およびＶd格子は、１次元格子Ｖc4とＶc1との間の間隔が３ｄ／２となるように配置されている。Ｙ軸方向に沿って周期ｄのＵc格子群およびＵd格子群が設けられている。Ｕc格子は１次元回折格子Ｕc1、Ｕc2、Ｕc3、Ｕc4を備え、Ｕd格子は１次元回折格子Ｕd1、Ｕd2、Ｕd3、Ｕc4を備える。Ｕc格子およびＵd格子は、１次元格子Ｕc4とＵd1との間の間隔が３ｄ／２となるように配置されている。
【００５６】
図６および図７に示された位相シフト構造以外にも、Ｕ格子とＶ格子が部分的に重複して設けられるような位相シフト構造も適用できる。また、２次元格子内の任意の格子点の１個又は複数個を除去すること、つまり格子欠陥点を導入することによっても位相シフト構造を実現できる。
【００５７】
引き続いて、本発明に係わる半導体発光デバイスの製造方法に関して説明する。以下、ＩｎＰ基板上に３角格子を有する面発光可能な半導体レーザを製造する工程を順に説明するが、適用される半導体材料等は例示的にであり、本発明はこれに限られるものはない。
【００５８】
２次元回折格子は、例えば以下のように作製される。面方位(001)を有する第１のＮ型ＩｎＰ半導体基板(以下、第１の基板という)１０を準備する。第１の基板１０の主面上に、有機金属気相エピタキシ(ＭＯＶＰＥ)法を用いてＮ型ＩｎＰ半導体層１２を成長する。図８は、第１の基板１０上にＮ型ＩｎＰ半導体層１２が形成された後の工程を示す斜視図である。
【００５９】
Ｎ型ＩｎＰ半導体層１２の表面に２次元回折格子をフォトリソグラフィック法およびエッチング法を用いて形成する。図９は、２次元回折格子が形成された後の工程を示す斜視図である。
【００６０】
半導体層１２の表面１２ａに感光剤を塗布する。この感光剤上に、電子ビーム描画装置(例えば、ELIONIX ELS-3700)を用いて、回折格子パターンを描画する(描画工程)。この後、感光剤を現像すると、、回折格子パターンが形成されたエッチングマスクが完成する。このマスクが有する回折格子パターンは、引き続くエッチング工程においてエッチングされるべき半導体層１２の表面１２ａ(以下、第１の表面ともいう)に所定形状の複数の開口を有している。
【００６１】
エッチングマスクを用いて、半導体層１２の所定部分に凹部を形成する(エッチング工程)。エッチングは、反応性イオンエッチング装置(例えば、SACOM RIE-10N)を用いて行う。マスクの開口部の半導体層１２は、エッチングによって除去され、所定の深さの凹部が形成される。図９は、２次元回折格子２４が第１の表面１２ａに形成された第１の部品２８の斜視図である。図９においては、２次元回折格子２４として、周期的に配列された複数の略円形の断面の凹部２４ａを有している。各凹部は、凹部２４ａの配列が回折格子として機能し得る程度の深さ、例えば０．１μｍ程度、に形成されている。
【００６２】
次に、面方位(001)を有する第２のＰ型ＩｎＰ半導体基板(以下、第２の基板という)３０を準備する。第２の基板３０の主面上に、有機金属気相エピタキシ(ＭＯＶＰＥ)法を用いてＰ型ＩｎＰ半導体層１８を成長する。
【００６３】
次いで、Ｐ型ＩｎＰ半導体層１８上にアンドープ活性層１６を成長する。本実施の形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ構造を有するように活性層１６を形成する。この活性層よって、１．３μｍ帯の光が発生可能になる。さらに、このようなＭＱＷ構造の両側に、ＭＱＷ構造部にキャリアを閉じ込めるための分離閉じ込めヘテロ構造層(separate confinement heterostructrue)を形成することもできる。これによって、２次元的に広がる活性層にキャリアを効率的に閉じ込めることができる。
【００６４】
この後に、活性層１４上にＭＯＶＰＥ法を用いてＮ型ＩｎＰ半導体層１４を成長する。なお、本実施の形態では、第１の部品２８のＮ型ＩｎＰ半導体層１２の表層に２次元回折格子２４を形成したけれど、この２次元回折格子２４に代えて、またはこの２次元回折格子２４と共に、Ｎ型ＩｎＰ半導体層１４の表面(以下、第２の表面ともいう１４ａの表層に２次元回折格子を形成することもできる。
【００６５】
これによって第２の部品３２が完成する。図１０は、第２の部品３２の斜視図である。第２の部品３２は、第２の基板３０の主面上に順次形成されたＰ型ＩｎＰ半導体層１８、アンドープ活性層１６、およびＮ型ＩｎＰ半導体層１４を備える。最後に形成された半導体層１４の表面１４ａが露出している。
【００６６】
次いで、第１の部品２８と、第２の部品３２とを接合する。この接合工程では、第１の表面１２ａと第２の表面１４ａとが向き合うように第１の部品２８および第２の部品３２を接合する。この接合は、本実施の形態では、融着によって行う(融着工程)。
【００６７】
接合されるべき第１の表面１２ａおよび第２の表面１４ａを清浄にするために、第１の部品２８および第２の部品３２を化学的に処理し、付着した汚染物、形成された自然酸化膜等を除去する。この化学的な処理は、第１の部品２８および第２の部品３２を処理溶液、例えばバッファフッ化水素酸溶液(ＮＨ4Ｆ：ＨＦ＝１：６)にさらすことによって行なわれる。
【００６８】
引き続いて、図１１に示すように、第１の表面１２ａと第２の表面１４ａとを向き合わせて、第１の部品２８および第２の部品３２を重ね合わせる。第１の部品２８と第２の部品３２との間には、上記表面１２ａ、１４ａが十分に密着するように所定の圧力(荷重)を加える。この状態で、十分な融着が達成されるような温度に所定の時間さらす。
【００６９】
このような融着条件を例示的に示せば、還元性雰囲気、例えばＨ2雰囲気中において、
温度：６２０℃
時間：３０分
荷重：１．７Ｎ／ｃｍ2
である。また、このような熱処理には、不活性ガス雰囲気、例えばＮ2、Ａｒ、Ｈｅ等の少なくともいずれかを含む雰囲気も適用できる。この熱処理によって、第１の部品２８と第２の部品３２との融着が達成された。図１２の斜視図は、第１の部品２８と第２の部品３２とが融着されることによって形成された第３の部品３４を示す。
【００７０】
第３の部品３４において、第１の基板１０および第２の基板３０の少なくとも一方を除去することができる(除去工程)。活性層１６からの光を放出するための光放出面を形成するために基板の一方を除去することができる。このような基板の除去は、選択エッチング条件によって行うことができる。本実施の形態において第２の基板３０に適用した選択エッチングを例示すれば、塩酸(HCl)および水を含む混合溶液、いわゆる塩酸系のエッチャントを用いてウエットエッチングする方法がある。エッチングによって基板を除去すれば、活性層１６から光放出面２６までの距離が短縮される。
【００７１】
図１３の斜視図は、第２の基板３０が除去されることによって形成された第４の部品３６を示す。第４の部品３６は、第２の基板３０が除去されることによってＰ型ＩｎＰ半導体層１８の一表面(第３の表面ともいう)１８ａが露出される。図１３においても部分的に示されているように、第４の部品３６は、２次元回折格子２４が層間に埋め込まれた構造を有する。２次元回折格子２４を構成する空間２４ａは、半導体層１２と半導体層１４によってその周囲を囲まれている。
【００７２】
第４の部品３６の第３の表面１８ａにアノード電極（図１の２０）を形成すると共に、第１の基板１０の裏面１０ａにカソード電極（図１の２２）を形成すると、本発明に係わる半導体発光デバイスの主要な工程が完了する。これによって、図１に示された半導体発光デバイス１が得られる。
【００７３】
本発明に係わる半導体発光デバイスは、複数の２次元回折格子２４，４４を備えることができる。これらの２次元回折格子２４，４４は、活性層１０を挟んで設けられることが好ましい。これによって、回折効率を高めることができる。２つの２次元回折格子は、それぞれの格子の格子点が活性層を挟んで対象になるように設けられることができ、また、周期の半分に相当する距離だけシフトさせて設けられることができ、非対称にも配置されることができる。以下、複数の回折格子を有する半導体発光デバイスの製造方法について説明する。
【００７４】
図１４は、第４の部品３６および第５の部品３８とを接合する工程を示す斜視図である。この接合工程では、まず、第４の部品３６および第５の部品３８を準備する。第４の部品の形成方法は既に説明したので、第５の部品３８の形成方法について説明する。第５の部品３８は、第１の部品２８と類似の構造を有する。つまり、第５の部品３８は、Ｐ型ＩｎＰ半導体基板(以下、第３の基板ともいう)４０上に形成されたＰ型ＩｎＰ半導体層４２を有する。Ｐ型ＩｎＰ半導体層４２の表面(第４の表面ともいう)４２ａには、２次元回折格子４４が形成されている。２次元回折格子４２は、Ｐ型ＩｎＰ半導体層４２の表層に形成された複数の凹部４２ａを有する。複数の凹部４２ａは、２次元回折格子を形成するように配置されている。第５の部品３８はこのような構造を有するので、第１の部品２８と同様の工程を経て形成されることができる。なお、２次元回折格子４２を第５の部品３８に形成する場合について説明したが、この２次元回折格子４４に代えて、またはこの２次元回折格子と共に、第４の部品３６の第３の表面１８ａに２次元回折格子を形成することもできる。
【００７５】
続いて、第３の表面１８ａと第４の表面４２ａとが向き合うように、第４の部品３６および第５の部品３８を接合する。この接合工程は、既に説明した第１の部品２８と第２の部品３２との融着と同様に行うことができるので、融着工程の詳細については省略する。しかしながら、第４の部品３６と第５の部品３８との接合は、この条件に限られることなく別個の手順および条件を適用できる。図１５に示されるように、第４の部品３６と第５の部品３８とを接合することによって、第６の部品４６が得られる。
【００７６】
また、本発明に係わる半導体発光デバイスの製造方法では、第６の部品４６から、第１の基板１０および第３の基板３８のいずれかを除去することができる。本実施の形態では、第１の基板１０を除去する。この除去工程についても、既に説明した除去工程を適用することができるので、更に詳細な説明は省略する。しかしながら、第６の部品４６を除去する手順および条件は、この条件に限られることなく別個の手順および条件を適用できる。
【００７７】
図１６の斜視図は、第１の基板１０が除去されることによって形成された第７の部品４８を示す。第７の部品４８は、第１の基板１０が除去されることによってＰ型ＩｎＰ半導体層１２の一表面(第５の表面ともいう)１２ｂが露出される。図１６においても部分的に示されているように、第７の部品４８は、２次元回折格子２４が半導体層１２と半導体層１４との間に埋め込まれ、また、２次元回折格子４４が半導体層１８と半導体層４０との間に埋め込まれた構造を有する。２次元回折格子２４を構成する空間２４ａは、半導体層１２と半導体層１４によってその周囲を囲まれている。２次元回折格子４４を構成する空間４４ａは、半導体層１８と半導体層４０によってその周囲を囲まれている。
【００７８】
第７の部品４８の第５の表面１２ｂにカソード電極（図１の２２に相当する電極）を形成すると共に、第４の基板３８の裏面３８ａにアノード電極（図１の２０に相当する電極）を形成すると、本発明に係わる別の実施の形態の半導体発光デバイスの主要な工程が完了した。
【００７９】
また、このような半導体発光デバイスは、第５の表面１２ｂおよび第４の基板３８の裏面３８ａの少なくともいずれかの面から光を取り出すことが可能である。したがって、本発明に係わる半導体発光デバイスを搭載部材、例えばリードフレーム、チップキャリア、プリント基板等に搭載する際にも、上記の面１２ｂおよび面３８ａのいずれかを搭載部材に対面させて配置することができる。このため、搭載部材を放熱経路として効果的に利用できる。このとき、半導体発光デバイスは、搭載部材の搭載面に対してこのデバイスの光軸が所定の角度、例えば９０゜をなすように配置される。
【００８０】
いくつかの製造工程によって作製される半導体発光デバイスを示したけれども、本発明は、説明された構造以外にも、活性層１６を挟んで設けられた複数の２次元回折格子２４、４４の内の一方、例えば、２次元回折格子４４のみを有するような構造を採用することもできる。
【００８１】
説明したような構造を有する半導体発光デバイスの発光特性を測定した。
【００８２】
図１７（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイス電流−出力パワー特性を示す特性図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の矢印の位置における発振スペクトルである。この半導体発光デバイスは、３角格子構造を有する半導体発光デバイスがレーザ発振することを確認するために作製された。このため、光放出面には、ブロードエリア型電極(例えば２００μｍ幅で長手方向に延びた矩形電極)と、この周囲に面発光領域とを有する。３角格子は、デバイス全面に形成されている。
【００８３】
室温、周期１ｍｓ、パルス幅５００ｎｓの条件において測定した結果、電流密度Ｊth＝３．９ｋＡ／ｃｍ2の発振しきい値電流を得ることができた。この電流密度以下では、発光ダイオード(ＬＥＤ)として動作している。レーザ発振スペクトルは、図１７（ｂ）に示されるように単一波長である。この波長は、三角格子によって規定されている。また、近視野像は、３角格子の対称性を反映した発振パターンを有する。近視野像に基づけば、レーザ発振は、Γ−Ｘ方向に平行な方向に起こっている。注入電流を増加していくと、Γ−Ｊ方向にも発光領域が広がっていく傾向にある。故に、大面積でレーザ発振していることが分かる。
【００８４】
図１８（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイス電流−出力パワー特性を示す特性図であり、図１８（ｂ）は、発振しきい値電流密度Ｉthの１．６１倍の電流密度における発振スペクトルである。この半導体発光デバイスは、全方向に均一なレーザ発振を目的としているので、光放出面の中央に直径３５０μｍを有する円形の電極を設けた。３角格子は、デバイス全面に形成されている。
【００８５】
室温、周期１ｍｓ、パルス幅５００ｎｓの条件において測定した結果、電流密度Ｊth＝３．３ｋＡ／ｃｍ2の発振しきい値電流を得ることができた。この電流密度以下では、発光ダイオード(ＬＥＤ)として動作している。レーザ発振スペクトルは、図１８（ｂ）に示されるように２モードで動作していることが確認され、発振波長の間隔は△λ＝２８オングストロームであり、これは、図４（ｂ）に示されたバンド端の間隔(Ａ−Ｂ間)に良く一致している。各モードは、それぞれ波長の異なるバンド端に対応している可能性がある。
【００８６】
また、近視野像は、全面において発振がおこっていることを示している。遠視野像は、出射角１．８゜と非常に狭く、ほぼ円形のビーム形状を示している。これらの結果は、２次元フォトニックバンド構造における２次元的な光の結合によって、大面積且つコヒーレントな発振が面内でおこっていることを示していると考えられる。
【００８７】
以上、データを示しながら説明したように、本発明によれば面発光可能な発光デバイスを提供できることが明らかになった。
【００８８】
上記のフォトニックバンド構造には、(1)制御対象の光と同程度の微細加工を必要とする、(2)光をより効率的に制御するために空気と半導体のような大きな屈折率変化を持つ周期構造が必要とされる、(3)２次元まはた３次元のような高次元の発光を制御するためには同じ次元の周期構造を形成する必要がある、といった要求がある。半導体レーザの部分的な構造を有する部品に対してウエハ融着法を適用すると、このような要求を満たす２次元回折格子が内蔵された発光デバイスを容易に作製することができる。したがって、フォトニックバンド構造を内蔵した発光デバイスを形成可能になる。
【００８９】
また、本発明の実施の形態では、半導体内部に２次元・３次元構造を形成できる方法として、ウエハ融着法を用いるようにした。この方法によって、２次元フォトニックバンド構造内蔵面発光型発光ダイオード(ＬＥＤ)と共に、２次元フォトニックバンド構造内蔵の面発光レーザを作製した。さらに円形の電流注入領域を形成したデバイスを作製すると、全面でのレーザ発振を確認でき、遠視野像において１．８゜という非常に狭い出射角を得ることができた。この結果は、２次元フォトニックバンド構造に基づく２次元的な光の結合による大面積・コヒーレントな発振が起った結果と考えられる。フォトニックバンド構造を内蔵することは、面発光レーザに適していると考えられる。また、ウエハ融着法は、空気／半導体２次元回折格子(発光されるべき光に対して透明な導波層内または半導体層内に周期的に設けられた空間に基づく２次元回折格子)を形成する方法として好適であることが示された。
【００９０】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザによれば、２次元回折格子が、活性層において発生されるべき光の波長を規定するように設けられている。このため、活性層において発生された光は、２次元回折格子によって２次元的に結合され光放出面から放出される。したがって、面発光が可能な半導体レーザが提供された。
【００９１】
また、本発明の半導体レーザの製造方法によれば、基板を含む一方の部品の接合面上に２次元格子を形成した後に、この部品と他方の部品とを接合するようにした。したがって、面発光が可能な半導体レーザの製造方法が提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明に係わる半導体発光デバイスの斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ断面における断面図である。
【図２】図２は、２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。
【図３】図３は、図２に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。
【図４】図４（ａ）は、図２に示された２次元３角格子についてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるΓ点近傍における拡大図である。
【図５】図５は、２次元回折格子として、格子間隔がｂである正方格子を描いた図面である。
【図６】図６は、図５に示された正方格子に対して適用した位相シフト構造を適用した図面である。
【図７】図７は、図５に示された正方格子に対して適用した位相シフト構造を適用した図面である。
【図８】図８は、第１の基板上にＮ型ＩｎＰ半導体層が形成された後の工程を示す斜視図である。
【図９】図９は、２次元回折格子が形成された後の工程を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、第２の部品の斜視図である。
【図１１】図１１は、第１の表面と第２の表面とが向き合わせて、第１の部品と第２の部品とを接合する工程を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、第１の部品と第２の部品とが接合されることによって形成された第３の部品を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、第２の基板が除去されることによって形成された第４の部品を示すの斜視図である。
【図１４】図１４は、第４の部品および第５の部品を接合する工程を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、第４の部品と第５の部品とを接合し第６の部品を形成する工程の斜視図である。
【図１６】図１６は、第１の基板が除去し、第７の部品を形成する工程を示す斜視図である。
【図１７】図１７（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイスの電流−発振パワー特性を示す特性図であり、図１７（ｂ）は、そのようなデバイスの発振スペクトルである。
【図１８】図１８（ａ）は、実施の形態の構造を有する半導体発光デバイスの電流−発振パワー特性を示す特性図であり、図１８（ｂ）は、そのようなデバイスの発振スペクトルである。
【符号の説明】
１…半導体発光デバイス、１０…基板、１２…第１の閉じ込め層、１４…第２の閉じ込め層、１６…活性層、１８…第３の閉じ込め層、２０…アノード電極、２２…カソード電極、２４、２５、４４…２次元回折格子、２８…第１の部品、３０…第２の基板、３２…第２の部品、３４…第３の部品、３６…第４の部品、３８…第５の部品、４６…第６の部品、４８…第７の部品、
Claims (10)
- 半導体レーザであって、
基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、
前記基板の主面上に設けられた第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層に挟まれ、キャリアが注入されると光を発生する活性層と、
前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層と光学的に結合され、当該半導体レーザによって発生されるべきレーザ光の波長を規定する２次元回折格子と、
前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、
を備え、
前記２次元回折格子は、２以上の回折格子群からなり、
前記回折格子群の各々は、同一の周期を有しており、
各回折格子群は、それぞれ異なる方向に伸びており、
当該半導体レーザのレーザ共振器は、前記活性層と前記２次元回折格子とを含むことを特徴とする半導体レーザ。 - 前記２次元回折格子は、第１の屈折率を有する媒質内に２次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分を有し、
前記第１の屈折率は前記第２の屈折率よりも大きく、
前記第２の屈折率の部分は、第１の屈折率を有する媒質が除かれた空間である、請求項１に記載の半導体レーザ。 - 前記２次元回折格子は、三角格子および正方格子のいずれか一方である、請求項１に記載の半導体レーザ。
- 前記活性層は、キャリアが注入されると光を発生する複数の発光部と、前記複数の発光部を分離するように設けられた分離部とを有する請求項１に記載の半導体レーザ。
- 前記活性層において発生された光に対して透明であって、前記光放出面上に設けられ、前記活性層にキャリアを与えるための電極を更に備える、請求項１に記載の半導体レーザ。
- 前記活性層を介して前記２次元回折格子と対向するように設けられた別の２次元回折格子を更に備える、請求項１に記載の半導体レーザ。
- 半導体レーザであって、
基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、
前記基板の主面上に設けられた第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられ、キャリアが注入されると光を発生する活性層と、
前記基板の主面が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層と光学的に結合され、当該半導体レーザによって発生されるべきレーザ光の波長を規定するフォトニックバンド構造を有するフォトニックバンド層と、
前記フォトニックバンド層が延びる方向に沿って設けられ、前記活性層において発生された光が放出される光放出面と、
を備え、
前記フォトニックバンド層は２以上の回折格子群からなり、
前記回折格子群の各々は同一の周期を有しており、
各回折格子群は、それぞれ異なる方向に伸びており、
当該半導体レーザのレーザ共振器は、前記活性層と前記フォトニックバンド層とを含むことを特徴とする半導体レーザ。 - 第１の基板を含み第１の表面を有する第１の部品を準備する工程と、
第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層を第２の基板の主面上に順に堆積し、前記主面が延びる方向に沿って第２の表面を有する第２の部品を形成する工程と、
前記第１の表面および前記第２の表面の少なくともいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための２次元回折格子を形成する格子工程と、
格子工程の後に、前記第１の表面と前記第２の表面とが向き合うように前記第１の部品および前記第２の部品を接合して、前記活性層と前記２次元回折格子とから構成されるレーザ共振器を形成する工程と、
を備え、
前記２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、
各回折格子群は、それぞれ異なる方向に伸びており、
前記回折格子群の各々は同一の周期を有していることを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 第１の基板を含み第１の表面を有する第１の部品を準備する工程と、
第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層を第２の基板の主面上に順に堆積し、前記主面が延びる方向に沿って第２の表面を有する第２の部品を形成する工程と、
前記第１の表面および前記第２の表面の少なくともいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための２次元回折格子を形成する格子工程と、
格子工程の後に、前記第１の表面と前記第２の表面とが向き合うように前記第１の部品および前記第２の部品を接合し第３の部品を形成する工程と、
前記第３の部品から前記第１の基板を第３の表面が現れるように除去し第４の部品を形成する工程と、
第３の基板を含み第４の表面を有する第５の部品を準備する工程と、
前記第３の表面および前記第４の表面のいずれか一方に、前記活性層に光を帰還して前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長を規定するための別の２次元回折格子を形成する工程と、
前記第３の表面と前記第４の表面とが向き合うように、前記第４の部品および前記第５の部品を接合して、前記活性層、前記２次元回折格子および前記別の２次元回折格子から構成されるレーザ共振器を形成する工程と、
を備え、
前記２次元回折格子は２以上の回折格子群からなり、
各回折格子群は、それぞれ異なる方向に伸びており、
前記回折格子群の各々は同一の周期を有していることを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 前記格子工程は、
前記活性層において発生されるべきレーザ光の波長に対応したフォトニックバンド構造を形成するように規定された２次元回折格子パターンを持つマスクを前記第１の表面および前記第２の表面の少なくともいずれか一方に形成する工程と、
前記マスクを用いてエッチングし、２次元回折格子を形成する工程と、
を有する請求項８または請求項９に記載の半導体レーザの製造方法。
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