JP4445292B2 - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

Semiconductor light-emitting element

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JP4445292B2 JP2004065496A JP2004065496A JP4445292B2 JP 4445292 B2 JP4445292 B2 JP 4445292B2 JP 2004065496 A JP2004065496 A JP 2004065496A JP 2004065496 A JP2004065496 A JP 2004065496A JP 4445292 B2 JP4445292 B2 JP 4445292B2
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重雄 吉井
信之 大塚
俊哉 横川
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パナソニック株式会社
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本発明は、基板上に成長したフォトニック結晶を用いた垂直出射型の半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor light emitting element of using a photonic crystal grown on the substrate.

従来のフォトニック結晶を用いた半導体発光素子としては、例えば特開平11−330619号公報、特開2001−308457号公報、特開2001−9800号公報(米国特許出願公開第2002/0109134号明細書)、特開昭63−205984(米国特許第4847844号明細書)、および特開2002−062554号公報などに開示されている。 As the semiconductor light-emitting device using a conventional photonic crystal, for example, JP-A 11-330619, JP 2001-308457, JP-2001-9800 Patent Publication (U.S. Patent Application Publication No. 2002/0109134 Pat JP ), JP 63-205984 (U.S. Pat. No. 4,847,844), and Japanese are disclosed in, 2002-062554 JP.

また、同様に「今田他:アプライドフィジックスレターズ75(1999)316(Appl. Phys. Lett. 75(1999)316)」にも開示されている。 Similarly, "Imada other: Applied Physics Letters 75 (1999) 316 (... Appl Phys Lett 75 (1999) 316)" to are also disclosed. 図1は、この「今田他」に開示されているフォトニック結晶を用いた従来の半導体発光素子の構成を示す斜視図である。 Figure 1 is a perspective view showing a structure of a conventional semiconductor light emitting device using the photonic crystal disclosed in this "Imada other". 図1に示すとおり、n型InP基板51上には、n型InPフォトニック結晶層52、n型InP下部クラッド層53、InGaAsPからなる量子井戸活性層54、p型InP上部クラッド層55が順に積層されている。 As shown in FIG. 1, on an n-type InP substrate 51, n-type InP photonic crystal layer 52, n-type InP lower cladding layer 53, a quantum well active layer 54 made of InGaAsP, p-type InP upper cladding layer 55 in this order It is stacked. また、n型InP基板51の裏面には下部電極57が、p型InP上部クラッド層55の表面には直径が350μm程度の円形の上部電極56がそれぞれ形成されている。 Further, on the back surface of the n-type InP substrate 51 lower electrode 57, upper electrode 56 on the surface diameter of about 350μm circular of p-type InP upper cladding layer 55 are formed. さらに、n型InPフォトニック結晶層52には直径が0.2μm程度の円形の凹部59が周期的に複数形成されている。 Further, the diameter in the n-type InP photonic crystal layer 52 is circular recesses 59 of about 0.2μm are periodically form a plurality.

複数の凹部59が形成されるようにn型InPフォトニック結晶層52をn型InP基板1上で成長させる一方で、他の基板上にp型InP上部クラッド層55、量子井戸活性層54、およびn型InP下部クラッド層53をこの順で成長させる。 n-type InP photonic crystal layer 52 while growing on n-type InP substrate 1, p-type InP upper cladding layer 55 on another substrate such that the plurality of recesses 59 are formed, the quantum well active layer 54, and n-type InP lower cladding layer 53 are grown in this order. そして、n型InP下部クラッド層53とn型InPフォトニック結晶層52の表面とを接触させ、水素雰囲気中でアニールすることにより融着させる(矢符60参照)。 Then, contacting the n-type InP lower cladding layer 53 and the n-type InP photonic surface of the crystal layer 52, it is fused by annealing in a hydrogen atmosphere (see arrow 60). その後、p型InP上部クラッド層55を成長させた基板を除去し、その表面に円形の上部電極56を形成するとともに、n型InP基板1の裏面に下部電極57を形成することにより、前述したように構成された半導体発光素子を製造する。 Then, to remove the substrate growing the p-type InP upper cladding layer 55, to form a circular upper electrode 56 on the surface thereof, by forming the lower electrode 57 on the back surface of the n-type InP substrate 1, the above-mentioned producing configured semiconductor light-emitting device as.

以上のようにして製造された半導体発光素子において、上部電極56と下部電極57との間に電流を流すと、閾値電流2A以上で誘導放出が確認され、発振波長が1.3μmの単一モードが得られた。 In the semiconductor light emitting device fabricated as described above, when a current flows between the upper electrode 56 and the lower electrode 57, the stimulated emission is confirmed by a threshold current 2A above, single mode oscillation wavelength 1.3μm was gotten. また、発光は上部電極56の外周部58より得られた。 Further, emission was obtained from the outer peripheral portion 58 of the upper electrode 56.

このように、従来の半導体発光素子では閾値電流が2Aと比較的大きいという問題があった。 Thus, the threshold current is a problem that relatively large 2A in the conventional semiconductor light emitting device.

また、上部電極56が円形の電極であるために、光の偏波面がいろいろな方向を持つという問題があった。 The upper electrode 56 is to be a circular electrode, the polarization plane of light is a problem of having a different direction. なお、凹部59の形状を楕円形にすることにより偏波面を揃えることも考えられるが、形状がそろった楕円形状の凹部59を複数形成することは非常に困難である。 It is conceivable to align the polarization by the shape of the recess 59 in an oval, it is very difficult to form a plurality of recesses 59 the elliptical shape are aligned.

また、同一の偏波面を有する光であっても、2つの安定する発光モードが存在することにより、発光波長が不安定になるという問題があった。 Moreover, even light having the same polarization, by emission mode to two stable exists, there is a problem that the emission wavelength becomes unstable.

さらに、前述したように結晶同士を融着させることにより半導体発光素子を製造しているが、大口径の基板全面を融着させることは困難であるという問題があった。 Furthermore, although manufacturing a semiconductor light-emitting element by fusing the crystals together as described above, there is a problem that it is difficult to fuse the entire substrate having a large diameter.

本発明はこのような事情に鑑みてなされており、その目的は、閾値電流が低く、しかも光の偏波面が制御された半導体発光素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is the threshold current is low and to provide a semiconductor light-emitting element which polarization plane of the light is controlled.

この目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と、前記上部クラッド層に接続され、共振器方向に延びるストライプ状の上部電極と、前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、前記半導体積層体は、複数の凹部または凸部が共振器方向に周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有し、前記フォトニック結晶構造は、平面視において、少なくとも一部が前記上部電極と重ならず、しかも前記上部電極と共振器方向で並ぶように形成されており、前記凹部または凸部の周期は、前記フォトニック結晶構造が有するフォトニックバンドギャッ To this end, the semiconductor light emitting device according to the present invention includes a semiconductor substrate, wherein formed on a semiconductor substrate, a lower clad layer, a parallel direction of the resonator with respect to the semiconductor substrate a semiconductor laminated body including the active layer, and an upper clad layer are, connected to said upper cladding layer, comprising an upper electrode stripes extending in the cavity direction, and a lower electrode connected to the lower cladding layer, the the semiconductor laminate has a periodically arranged photonic crystal structure more recesses or protrusions in the cavity direction, the photonic crystal structure, in a plan view, weight and at least a part of the upper electrode Narazu, moreover the upper electrode are formed so as to be arranged in the cavity direction, the period of the recesses or projections, the photonic bandgap of the photonic crystal structure has の高エネルギー端または低エネルギー端と、 自然放出光のエネルギーとが一致するように設定され、前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加した場合に、前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域から光を放射する。 High energy end or low-energy end, configured as an energy of the spontaneous emission light coincides, when a predetermined voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode, the photonic crystal structure of emitting light from a region which does not overlap with the upper electrode in a plan view.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層に形成されていることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the concave or convex portion is preferably formed on the upper cladding layer.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層、前記活性層、および前記下部クラッド層に亘って形成されていることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the concave or convex portion, the upper cladding layer, said active layer, and it is preferably formed the over the lower cladding layer.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部の形状が円柱状であることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, it is preferable that the shape of the recesses or protrusions are cylindrical.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部の形状が平板状であることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, it is preferable that the shape of the concave or convex portion is flat.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記共振器の幅は2μm以上10μm以下であることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the width of the resonator is preferably 2μm or more 10μm or less.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記共振器の長さは20μm以上50μm以下であることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the length of the resonator is preferably 20μm or more 50μm or less.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記共振器方向は<110>方向または<−110>方向であることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the resonator direction is preferably a <110> direction or <-110> direction.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部は四角格子状に配列されており、前記凹部または凸部の一の配列方向が共振器方向と同一であり、他の配列方向が共振器方向と直交していることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the concave or convex portions are arranged in a square lattice shape, one arrangement direction of the concave portions or convex portions are the same as the resonator direction, the other in the arrangement direction it is preferable that the perpendicular to the resonator direction.
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔とが異なることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the spacing between recesses or protrusions adjoining in the one arrangement direction, and spacing between recesses or protrusions adjoining in the other arrangement direction is preferably different.
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔は、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と比べて大きいことが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, the spacing between recesses or protrusions adjoining in the one arrangement direction is preferably larger than the distance between concave portions or convex portions adjacent in the other arrangement direction .

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記半導体積層体の両端面には反射膜が形成されていることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, it is preferable that said both end faces of the semiconductor laminate being formed reflective film.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記半導体積層体の周囲には所定の間隔で配列された複数の凹部または凸部からなるフォトニック結晶構造が形成されていることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, it is preferred that the photonic crystal structure comprising a plurality of concave portions or convex portions arranged at predetermined intervals around the semiconductor laminate is formed.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部は前記半導体積層体の上面の全面に亘って形成されていることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, it is preferable that the concave or convex portion is formed over the entire upper surface of the semiconductor laminate.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域は、前記半導体積層体の中央部であることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, a region which does not overlap with the upper electrode in a plan view of the photonic crystal structure, it is preferable that the a center portion of the semiconductor stacked body.

また、前記発明に係る半導体発光素子において共振器方向において隣り合う凹部または凸部のうちの一部の凹部または凸部間の間隔が、他の凹部または凸部間の間隔と比べて、波長/(実効屈折率×4)だけ大きいことが好ましい。 The distance between some of the recesses or protrusions of the recesses or protrusions adjacent in the cavity direction in the semiconductor light emitting device according to the invention, as compared with the spacing between other recesses or protrusions, the wavelength / (effective refractive index × 4) preferably as large.

また、前記発明に係る半導体発光素子において、複数の前記半導体積層体を備え、前記複数の前記半導体積層体は互いに交差するように配置されていることが好ましい。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the invention, comprising a plurality of the semiconductor stacked body, wherein the plurality of the semiconductor laminated body is preferably disposed so as to intersect with each other.

本発明の前記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。 The object, other objects, features, and advantages of the present invention will reference to the attached drawings, will be apparent from the following detailed description of preferred embodiments.

本発明の半導体発光素子は、閾値電流を低くすることができ、しかも光の偏波面を制御することができる。 The semiconductor light-emitting device of the present invention, it is possible to lower the threshold current, yet it is possible to control the polarization plane of light.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 It will be described in detail with reference to the drawings, embodiments of the present invention.

(実施の形態1) (Embodiment 1)
図2は本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。 Figure 2 is a plan view showing a structure of a semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. また、図3は図2のIII−III線矢視図であり、図4は図2のIV−IV線矢視図である。 Further, FIG. 3 is a III-III sectional view taken along line of FIG. 2, FIG. 4 is a view taken along the line IV-IV of FIG 2. なお、本実施の形態の半導体発光素子の発光波長は1.3μmとした。 The emission wavelength of the semiconductor light-emitting element of this embodiment was 1.3 .mu.m.

図2から図4に示すように、n型InP基板1上にはストライプ構造10が形成されている。 As shown in FIGS. 2 to 4, on an n-type InP substrate 1 is a stripe structure 10 is formed. このストライプ構造10は、n型InP下部クラッド層3(厚み100nm)、InGaAsP/InGaAsP量子井戸活性層4(以下、単に活性層4という)、p型InP上部クラッド層5(厚み50nm)6が順に積層されて構成されている。 The stripe structure 10, n-type InP lower cladding layer 3 (thickness 100 nm), InGaAsP / InGaAsP quantum well active layer 4 (hereinafter, simply referred to as active layers 4), p-type InP upper cladding layer 5 (thickness 50 nm) 6 is sequentially and it is laminated. ここで、活性層4は、5ペアーのIn 0.9 Ga 0.1 As 0.20.8バリア層(厚み10nm、組成波長1.1μm、格子歪0%)、In 0.9 Ga 0.1 As 0.50.5井戸層(厚み4nm、量子井戸波長1.3μm、格子歪1%)、および導波路(ガイド)層からなる歪量子井戸構造である。 Here, the active layer 4, 5 pairs of In 0.9 Ga 0.1 As 0.2 P 0.8 barrier layer (thickness 10 nm, compositional wavelength 1.1 .mu.m, 0% lattice strain), In 0.9 Ga 0.1 As 0.5 P 0.5 well layers (thickness 4nm , quantum wells wavelength 1.3 .mu.m, the lattice strain of 1%), and a strained quantum well structure made of waveguide (guide) layer. ストライプ構造10の端面は劈開されており、その結果活性層4はn型InP基板1に対して平行な方向の共振器として機能する。 The end face of the stripe structure 10 is cleaved, resulting active layer 4 functions as a direction of the resonator parallel to the n-type InP substrate 1. また、p型InP上部クラッド層5には、複数の円柱状の凹部9を四角格子状に配列することによって得られたフォトニック結晶構造2が形成されている。 Further, the p-type InP upper cladding layer 5, and the photonic crystal structure 2 obtained by arranging a plurality of cylindrical recesses 9 in a square lattice pattern is formed. そして、隣り合う凹部9の2つの配列方向(図2中のα方向およびβ方向)のうち、何れか一方の方向(図2ではα方向)と共振器方向とが一致している。 Of the two arrangement directions of the adjacent recess 9 (alpha-direction and β direction in FIG. 2), one of the direction (in FIG. 2 alpha-direction) and the cavity direction are coincident.

なお、本明細書において、「共振器方向」とは、図2においてα方向として表記されている方向のことであって、すなわち、矩形の共振器の長手方向を意味する。 In this specification, the term "cavity direction", the method comprising: in the direction which is denoted as α direction in FIG. 2, ie, a longitudinal direction of the rectangular cavity.

n型InP基板1の裏面には下部電極7が形成されている。 On the back surface of the n-type InP substrate 1 a lower electrode 7 are formed. 一方、p型InP上部クラッド層5の表面であって、平面視において、フォトニック結晶構造2が形成されていない領域には、p型InP上部クラッド層5と比べて幅の狭いストライプ状の上部電極6が形成されている。 On the other hand, a surface of the p-type InP upper cladding layer 5, in a plan view, photonic in a region crystal structure 2 is not formed, p-type InP upper cladding layer 5 as compared to the narrow stripe-shaped upper width electrode 6 is formed. ここで、フォトニック結晶構造2と上部電極6とは平面視において共振器方向に並べられている。 Here, they are arranged in the cavity direction in the plan view and the photonic crystal structure 2 and the upper electrode 6.

なお、活性層4、すなわち共振器の幅が2μm程度と狭い場合には外部微分量子効率が上昇することになるが、注入電流が増加するにしたがって出力光強度が飽和してくる。 The active layer 4, i.e. the width of the resonator so that the external differential quantum efficiency is increased when about 2μm and narrow, the output light intensity according to the injection current increases come saturated. 一方、このストライプ構造の幅Wを10μm程度まで広げた場合、フォトニック結晶構造2内では横方向(共振器の幅方向)にも光を閉じこめることができるので出力飽和は抑制できるが、フォトニック結晶構造2以外の領域では光のモードが不安定になる。 On the other hand, when the spread width W of the stripe structure to approximately 10 [mu] m, although the output saturation because it can also confine light in the lateral direction (the width direction of the resonator) is within the photonic crystal structure 2 can be suppressed, photonic mode of light becomes unstable in a region other than the crystal structure 2. したがって、フォトニック結晶構造2の結合係数が比較的小さい場合には、共振器の幅Wの増大には限界がある。 Therefore, when the coupling coefficient of the photonic crystal structure 2 is relatively small, there is a limit to the increase of the width W of the resonator. このような事情により、共振器の幅Wは2μmから10μm程度が好ましい。 Such circumstances, the width W of the resonator is preferably 10μm order of 2 [mu] m.

次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the semiconductor light-emitting device of the present embodiment configured as described above will be described.

図5は本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す断面図、(b)から(d)はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。 Figure 5 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting element, from (b) (d ) is a plan view showing a structure of the semiconductor light-emitting device.

図5(a)に示すように、n型InP基板1上に、Siをドーピングしたn型InP下部クラッド層3(厚み100nm)、アンドープの活性層4(厚み14nm)、およびZnをドーピングしたp型InP上部クラッド層5(厚み50nm)をMOVPE(Metalorganic vapor phase epitaxy)法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる。 As shown in FIG. 5 (a), on the n-type InP substrate 1, n-type InP lower cladding layer 3 (thickness 100 nm) doped with Si, the active layer 4 (thickness 14 nm) of undoped and Zn doped with p the known crystal growth method type InP upper cladding layer 5 (thickness 50 nm), such as MOVPE (Metalorganic vapor phase epitaxy) method is epitaxially grown. ここで、活性層4に意図的に不純物を添加せずアンドープとしたのは、荷電子帯の吸収および自由電子の吸収を抑制するためである。 Here, the undoped without intentionally adding an impurity to the active layer 4 is to suppress the absorption and absorption of free electrons valence band.

次に、SiO 膜をエッチングマスクとして、Cl ガスおよびCH ガスを用いて円形状にICPドライエッチングすることにより複数の円柱状の凹部9を形成する。 Next, the SiO 2 film as an etching mask to form a plurality of cylindrical recesses 9 by ICP dry etching in a circular shape using a Cl 2 gas and CH 4 gas. この場合、図5(b)に示すとおり、各凹部9は四角格子状に並ぶように形成する。 In this case, as shown in FIG. 5 (b), each recess 9 is formed to be arranged in a square lattice. これらの複数の凹部9が周期的に配列された領域がフォトニック結晶構造2となる。 Regions in which these plurality of recesses 9 are periodically arranged is photonic crystal structure 2. この凹部9の周期(隣り合う凹部間の間隔)は光の波長と同程度である。 Period of the recess 9 (distance between adjacent concave portions) is comparable to the wavelength of light. したがって、本実施の形態の場合では1.3μm程度である。 Therefore, in the case of the present embodiment is approximately 1.3 .mu.m.

次に、図5(c)に示すように、ストライプ構造を形成するために、p型InP上部クラッド層5からn型InP基板1の一部までを燐酸系エッチャントでエッチングする。 Next, as shown in FIG. 5 (c), to form a stripe structure is etched by phosphoric acid etchant from p-type InP upper cladding layer 5 to a part of the n-type InP substrate 1. そして、図5(d)に示すように、上部電極6としてストライプ状のCr/Pt/Au電極をp型InP上部クラッド層5の表面に、下部電極(図示せず)としてAu−Sn電極をn型InP基板1の裏面にそれぞれ蒸着させる。 Then, as shown in FIG. 5 (d), the stripe-shaped Cr / Pt / Au electrodes on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5 as the upper electrode 6, the Au-Sn electrode as a lower electrode (not shown) each is deposited on the back surface of n-type InP substrate 1. この場合、上部電極6は、p型InP上部クラッド層5の表面上に、平面視においてフォトニック結晶構造2と共振器方向に並ぶように形成させるために、リフトオフにより成形される。 In this case, the upper electrode 6, on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5, in order to form so as to align the direction of the cavity and the photonic crystal structure 2 in a plan view, it is formed by lift-off.

前述したように複数の凹部9は四角格子状に配列されるが、図5(d)に示すように、凹部9の配列方向のうちα方向は共振器方向と一致するように配列されている。 Although a plurality of recesses 9 as described above are arranged in a square lattice shape, as shown in FIG. 5 (d), the direction α of the direction of arrangement of the recesses 9 are arranged to coincide with the resonator direction .

以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することができる。 It is possible to manufacture a semiconductor light-emitting device of the present embodiment by the above steps.

なお、前述したように凹部9を形成する場合であって、フォトニック結晶構造2の長さ(α方向)を2μm以上とするときは、図3に示すように、活性層4をエッチングしないようにp型InP上部クラッド層5中でエッチングを停止することが好ましい。 Incidentally, in the case of forming a recess 9 as described above, when the length of the photonic crystal structure 2 (alpha direction) than 2μm, as shown in FIG. 3, so as not active layer 4 is etched it is preferable to stop the etching in the p-type InP upper cladding layer 5. これにより、活性層4に及ぼすダメージを抑制することができるので、発光効率を向上させることが可能となる。 Thus, it is possible to suppress the damage on the active layer 4, it is possible to improve the luminous efficiency.

また、フォトニック結晶構造2の長さ(α方向)が10μm以下のときは、図6に示すように、活性層4を通り越してn型InP下部クラッド層3までエッチングすることが好ましい。 Further, when the length of the photonic crystal structure 2 (alpha direction) of 10μm or less, as shown in FIG. 6, it is preferable to etch past the active layer 4 to the n-type InP lower cladding layer 3. このようにフォトニック結晶構造2の長さが10μm以下と比較的小さい場合には、フォトニック結晶による効果が小さくなってしまう。 Thus if the length of the photonic crystal structure 2 is relatively small as 10μm or less, the effect of the photonic crystal is reduced. そのため、光がフォトニック結晶とカップリングしやすくするために、光の分布の大部分がフォトニック結晶による回折を受けるようにn型InP下部クラッド層3までエッチングする。 Therefore, since the light is likely to photonic crystal and the coupling, the majority of the distribution of the light is etched up to the n-type InP lower cladding layer 3 so as to receive the diffraction by the photonic crystals. この場合、ドライエッチングによるダメージを受けることになるが、Cl ガスでエッチングした後に、ダメージを受けた領域をCH またはSF ガスでエッチングすることにより、閾値電流の増大を抑制することができる。 In this case, although the damaged by dry etching, after etching with Cl 2 gas, by etching the area damaged by the CH 4 or SF 6 gas, it is possible to suppress an increase in the threshold current .

本実施の形態の場合、共振器方向は劈開性に優れた<110>または<−110>方向とする。 In this embodiment, the resonator direction is the superior cleavage <110> or <-110> direction. しかし、ドライエッチングにより共振器を形成する場合には特に共振器方向に限定はない。 However, there is no particular limitation in the cavity direction in the case of forming a cavity by dry etching. ただし、エッチング端面の垂直性を良好にするためには共振器方向を<110>または<−110>方向とすることが好ましい。 However, in order to improve the verticality of the etched side face is preferably in a <110> or <-110> direction of the resonator direction.

また、共振器の長さは20μmから50μm程度とする。 The length of the resonator to 50μm order of 20 [mu] m. これは、フォトニック結晶構造2内で回折されて取り出される光強度が小さいために、端面コートなどによりストライプ構造10の端面における損失を抑制させることによって光損失を通常のレーザと比べて極めて小さくすることができ、短共振器にして利得が低下したとしても十分な光を外部に放出させることができるためである。 This is because the light intensity to be extracted are diffracted within the photonic crystal structure 2 is small, very small compared to optical loss and ordinary laser by suppressing loss at the end face of the stripe structure 10 due facet coating it can gain in the short cavity is because it is possible to emit sufficient light even fell outside. ここで共振器の長さを50μmにした場合には閾値電流が20μA程度となり、同じく20μmにした場合には閾値となる電流値は存在せず、光出力が注入電流に正比例して増加することが分かった。 Here the threshold current is approximately 20μA is when the length of the resonator 50 [mu] m, also the current value serving as the threshold value when the 20μm does not exist, the light output increases in direct proportion to the injected current It was found.

本実施の形態では、フォトニック結晶として円柱状の凹部を周期的に形成しているが、円柱状の凸部であってもよい。 In the present embodiment, the cylindrical recess are periodically formed as photonic crystals, may be a cylindrical protrusion. 本実施の形態で円柱状の凸部ではなく凹部としたのは、凹部の方がドライエッチングする容積が小さいためにエッチングによるダメージを抑制させることができるためである。 To that the recess rather than the columnar protrusion in this embodiment, is because it is possible to suppress damage caused by etching to volume towards the recess dry etching is small. また、凸部とした場合には強度に問題があると考えられる。 Also, when the convex portion is considered that there is a problem in strength. 一方、円柱状の凸部とした場合には、等価屈折率が小さくなるため、凹部の場合と比べて配列する際の周期を大きくすることができるというメリットがある。 On the other hand, when the cylindrical projections, since the equivalent refractive index is small, there is a merit that it is possible to increase the period of time of sequences compared to the case of the recess. したがって、光の波長が例えば0.85μmなどのように短くなる場合には凸部とした方が好ましい。 Therefore, if the wavelength of light becomes shorter, such as for example 0.85μm is better to the projections is preferred. 以上の点については後述する他の実施の形態においても同様である。 The same applies to other embodiments to be described later above points.

なお、円柱状ではなく角柱状の凹部または凸部を周期的に形成することによってフォトニック結晶を得るようにしてもよい。 It is also possible to obtain a photonic crystal by periodically forming a prismatic recesses or protrusions rather than cylindrical. しかし、形状のそろった角柱を作製することは円柱の場合と比べて困難である。 However, making a uniform prismatic shapes is difficult as compared with the case of the cylinder. このことは断面が楕円である円柱状の凹部または凸部の場合も同様で、楕円率が大きくなるほど形状のばらつきが大きくなる。 This is the same when the cylindrical recesses or projections which in cross-section elliptical, variations in the shape increases as the ellipticity increases. したがって、本実施の形態では断面が真円の円柱状とした。 Therefore, cross section is a perfect circle cylindrical in this embodiment. 以上の点については後述する他の実施の形態においても同様である。 The same applies to other embodiments to be described later above points.

以上のように製造された半導体発光素子の動作について説明する。 A description will be given of the operation of the manufactured semiconductor light-emitting device as described above. 上部電極6と下部電極7との間に、上部電極6を正電位とし、下部電極7を負電位とした電圧を印加することにより、活性層4に電流を流す。 Between the upper electrode 6 and the lower electrode 7, and the upper electrode 6 a positive potential, by applying a voltage in which the lower electrode 7 and the negative potential, a current flows into the active layer 4. その結果、活性層4のn型領域からp型領域へ電子が注入され、p型領域からn型領域へホールが注入される。 As a result, electrons from the n-type region of the active layer 4 to the p-type region is implanted, holes are injected from the p-type region to the n-type region. 注入された電子とホールとは、活性層4のn型領域とp型領域との界面に形成されるp−n接合の近傍で誘導放出を起こす。 And injected electrons and holes, causing stimulated emission in the vicinity of the p-n junction formed at the interface between the n-type region and the p-type region of the active layer 4. これにより活性層4で光が発生する。 Thus the light generated in the active layer 4. この光は、活性層4内で増幅されると共に、フォトニック結晶構造2において、n型InP基板1に垂直な方向に回折される。 This light, while being amplified in the active layer 4, the photonic crystal structure 2 is diffracted in a direction perpendicular to the n-type InP substrate 1. その結果、フォトニック結晶構造2からn型InP基板1に垂直な方向に光8が放出される。 As a result, the light 8 is emitted in a direction perpendicular to the n-type InP substrate 1 from the photonic crystal structure 2.

図7は本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、(a)はフォトニック結晶が形成されていない領域における光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、(b)はフォトニック結晶構造における光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。 Figure 7 is an explanatory view illustrating a light emitting state of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention, (a) shows the relationship between the optical wave number and energy in the region is not formed photonic crystal it is a diagram showing a, (b) is a diagram showing the relationship between the light of wave number and energy in the photonic crystal structure.

図7(a)に示すように、フォトニック結晶が形成されていない領域においては、波数が大きくなるにしたがってエネルギーが直線的に上昇する。 As shown in FIG. 7 (a), in the region where the photonic crystal is not formed, it rises linearly energy according wavenumber increases. なお、図7(a)では、光のエネルギーが小さい領域におけるエネルギーと波数との関係であって、周期構造により折り返された後の関係を示している。 Incidentally, in FIG. 7 (a), a relation between the energy and the wave number in the region energy is small light shows the relationship after being folded by the periodic structure. そのため、波数が減少するにしたがってエネルギーが上昇し、その後再び折り返され、波数が大きくなるにしたがってエネルギーが上昇している。 Therefore, the energy is increased in accordance with the wave number decreases, then again folded, energy is increased in accordance with the wave number increases. その結果、フォトニック結晶による摂動が起こらないため、波数とエネルギーとは連続的に変化しており、フォトニックバンドギャップは形成されない。 As a result, the perturbation due to the photonic crystal does not occur, and the wave number and energy are changing continuously, the photonic band gap is not formed. また、図7(a)において光強度を横軸として波長を縦軸とした場合、自然放出光はローレンツ分布を示している。 In addition, when the vertical axis wavelengths of light intensity as the horizontal axis in FIG. 7 (a), the spontaneous emission light indicates a Lorentz distribution.

一方、図7(b)に示すように、フォトニック結晶構造においては、フォトニック結晶による摂動が起きるため、フォトニックバンドギャップ(PBG)が形成される。 On the other hand, as shown in FIG. 7 (b), in the photonic crystal structure, the perturbation due to the photonic crystal occurs, photonic band gap (PBG) is formed. このフォトニックバンドギャップ内では自然放出光は存在することができない。 It can not be the spontaneous emission light is present in this photonic band gap. これに対して、フォトニックバンドギャップの高エネルギー端以上および低エネルギー端以下においては自然放出光が存在することができる。 In contrast, there may be spontaneous emission in the following high-energy end more and low energy end of the photonic band gap. フォトニックバンドギャップの中心エネルギーに対応する光の角速度ω は、フォトニック結晶の周期(隣り合う凹部9間の間隔)をΛとした場合、n eff・ω /c=π/Λの関係で表される。 Angular velocity omega 0 of light corresponding to the center energy of the photonic band gap, when the period of the photonic crystal (distance between adjacent recesses 9) and Λ, n eff · ω 0 / c = π / Λ relationship in represented. ここでn effは光の等価屈折率を、cは光速をそれぞれ示している。 Where n eff is the effective refractive index of the light, c is shows the speed of light, respectively. フォトニックバンドギャップの大きさΔωは、Δω=2kc/n effとなる。 Size [Delta] [omega of the photonic band gap becomes Δω = 2kc / n eff. ここで、kは結合係数を表している。 Here, k denotes the coupling coefficient. フォトニックバンドギャップの高エネルギー端と自然放出光のエネルギーとが一致した場合には、自然放出光を発生する電子と光との関係に加えてフォトニック結晶の摂動による関係が付加されるため、電子と光との遷移確率も摂動を受ける。 Because the energy of the photonic high energy end of the band gap and spontaneous emission light in the case of coincidence, the relationship by perturbation of the photonic crystal is added in addition to the relationship between the electron and light generated spontaneous emission light, transition probability of electrons and light also perturbed. その結果、図7(b)に示すように、自然放出光とフォトニックバンドギャップとがカップリングして超放射による高い自然放出光強度が得られる。 As a result, as shown in FIG. 7 (b), a high spontaneous emission light intensity by ultrasonic radiation is obtained by coupling the spontaneous emission light and the photonic band gap. この場合の自然放出光の半値幅は0.2nm以下であり、発光強度は約30倍程度となる。 FWHM of the spontaneous emission light in this case is at 0.2nm or less, the emission intensity is about 30 times.

なお、図7(b)においてはフォトニックバンドギャップの高エネルギー端と自然放出光のエネルギーとが一致しているが、フォトニックバンドギャップの低エネルギー端と自然放出光のエネルギーとが一致している場合でも同様の結果が得られる。 Although in FIG. 7 (b) is consistent and the energy of the high energy end and spontaneous emission light of the photonic band gap, and the energy of the photonic low energy end of the band gap and spontaneous emission light matches similar results even if there are obtained. ただし、フォトニック結晶を構成する複数の凹部が四角格子状に配列されている場合には、フォトニックバンドギャップの高エネルギー端と自然放出光のエネルギーとを一致させる方が、バンド間隔が大きく離れているために縮退の影響が無いという利点がある。 However, when a plurality of recesses constituting the photonic crystal are arranged in a square lattice shape, it to match the energy of the photonic high energy end of the band gap and spontaneous emission light, the band gap is far away there is an advantage that there is no influence of the degenerate to have.

本実施の形態の半導体発光素子の場合、特に閾値となる電流値は存在せず、注入電流に応じて光出力が増加する。 If the semiconductor light-emitting element of this embodiment, absent the current value of particular threshold, the light output increases in response to the injected current. 波長が1.3μmの場合、外部微分量子効率は60%程度となることを明らかにした。 If the wavelength is 1.3 .mu.m, it revealed that the external differential quantum efficiency is about 60%. また、注入電流が2mA以上の場合、動作速度は10GHzとなることがわかった。 Further, if the injection current is above 2 mA, the operation rate was found to be 10 GHz. 発光領域から同一周波数で位相のそろったコヒーレント光が得られるため、レンズのNAに対応する値までスポットを絞り込むことができる。 Since the coherent light having a uniform phase at the same frequency from the light-emitting region can be obtained, it is possible to narrow the spots to a value corresponding to the NA of the lens. また、TE光の偏波面はストライプ構造のストライプ方向(共振器方向)となる。 Further, the polarization plane of the TE light becomes stripe direction of the stripe structure (resonator direction). 比較的強い電流をパルス状に注入した場合においては、ピコ秒の強い発光が生ずる超放射現象も得られることがわかった。 In case of injecting a relatively strong current in pulse form it was found to be obtained strong emission occurs Superradiance phenomena picoseconds.

なお、本実施の形態では半導体基板をInP結晶としているが、フォトニック結晶の作製精度が上がれば、GaAs、GaN、またはGaP結晶を使用することも可能である。 In this embodiment although the semiconductor substrate and InP crystals, if rises is manufactured accuracy of the photonic crystal, it is also possible to use GaAs, GaN, or GaP crystal. また、半導体基板はn型としているがp型であってもよい。 Further, the semiconductor substrate but is a n-type may be a type p. n型結晶の方が一般的には抵抗値が低いため、活性層までの間にフォトニック結晶がある方をn型にする方が、電流が均一に活性層に注入されることになるので好ましい。 For towards n-type crystal is generally low resistance, is better to the Write photonic crystal until the active layer to the n-type, since the current is uniformly injected into the active layer preferable.

前述したように、フォトニック結晶構造の長さ(α方向)は、図3に示す構成の場合(凹部9がp型InP上部クラッド層5内にのみ形成されている)では2μm以上、図6に示す構成の場合(凹部9がp型InP上部クラッド層5からn型InP下部クラッド層3の途中まで形成されている)では10μm以下とすることが好ましい。 As described above, the length of the photonic crystal structure (alpha direction), the configuration shown in FIG. 3 (recess 9 is formed only on the p-type InP upper cladding layer 5), the 2μm or more, 6 If the configuration shown (recess 9 is p-type is formed to the middle of the n-type InP lower cladding layer 3 of InP upper cladding layer 5) is preferably set to at 10μm or less. したがって、このフォトニック結晶構造の長さ(α方向)が2μm以上10μm以下の場合では図3に示す構成でもよく、図6に示す構成でもよいことになる。 Therefore, the length of the photonic crystal structure (alpha direction) may be in the configuration shown in FIG. 3 in the case of the 2μm above 10μm or less, so that may be configured as shown in FIG. どちらが好ましいのかは、ドライエッチングによるダメージの大きさおよびエッチング表面の形状の平坦性などに依存する。 Which preferably either depends on such flatness of shape size and etching the surface of the damage caused by dry etching. 例えば、ドライエッチングの際に、Cl ガスで平坦性の良好な表面を形成し、CF ガスでダメージ領域を除去することによって、図6に示す構成にすることが可能となる。 For example, during the dry etching, Cl to form a good surface flatness in 2 gas, by removing the damaged area with a CF 4 gas, it is possible to adopt a configuration shown in FIG.

(実施の形態2) (Embodiment 2)
実施の形態2では、実施の形態1の場合と同様にフォトニック結晶を有しているが、共振器方向におけるフォトニック結晶の周期と、その共振器方向と直交する方向におけるフォトニック結晶の周期とが異なるように構成された半導体発光素子について示す。 In the second embodiment, has the same photonic crystal in the case of the first embodiment, the period of the photonic crystal in the resonator direction, the period of the photonic crystal in the direction perpendicular to the cavity direction DOO shows a semiconductor light-emitting elements configured differently.

図8は本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。 Figure 8 is a plan view showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention. 図8に示すように、四角格子状に複数の凹部9を配列させることによってフォトニック結晶構造2が形成されている。 As shown in FIG. 8, the photonic crystal structure 2 is formed by arranging a plurality of recesses 9 in a square lattice. ここで、共振器方向における凹部9の周期(隣り合う凹部9間の間隔)F1は、その共振器方向と直交する方向における凹部9の周期F2と比べて長くなっている。 Here, F1 (the interval between the recess 9 adjacent) the period of the recesses 9 in the resonator direction is longer than the period F2 of the concave portion 9 in a direction perpendicular to the cavity direction. また図中の13はp型InP上部クラッド層を後述するように選択成長させたときの成長領域を示している。 The 13 in the figure shows the growth region when selectively grown as described later the p-type InP upper cladding layer. なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成については実施の形態1の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。 Incidentally, the description thereof is omitted are denoted by the same reference numerals so are the same as in the first embodiment for the other configuration of the semiconductor light-emitting element of this embodiment.

次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the semiconductor light-emitting device of the present embodiment configured as described above will be described. なお、実施の形態1ではドライエッチングを用いてフォトニック結晶を作製する方法について説明したが、本実施の形態では選択成長を用いてフォトニック結晶を作製する方法について説明する。 Although how to prepare a photonic crystal by dry etching in the first embodiment, in the present embodiment describes a method of making a photonic crystal using the selective growth. もちろん、本実施の形態でも実施の形態1の場合と同様にしてドライエッチングを用いた方法でも作製することは可能である。 Of course, it is possible to produce even by a method using dry etching in the same manner as in the first embodiment in the present embodiment. 本明細書において示すすべての実施の形態において、ドライエッチングを用いる方法および選択成長を用いる方法の何れの方法によってもフォトニック結晶を作製することが可能である。 In all embodiments shown in this specification, it is possible to produce the photonic crystal by any of the methods of methods of using the methods and selective growth using dry etching.

図9は本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す断面図、(b)から(d)はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。 Figure 9 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting element, from (b) (d ) is a plan view showing a structure of the semiconductor light-emitting device.

図9(a)に示すように、n型InP基板1上に、Siをドーピングしたn型InP下部クラッド層3(厚み100nm)、アンドープの活性層4(厚み14nm)、およびZnをドーピングしたp型InP上部クラッド層5(厚み10nm)をMOVPE法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる。 As shown in FIG. 9 (a), on the n-type InP substrate 1, n-type InP lower cladding layer 3 (thickness 100 nm) doped with Si, an undoped active layer 4 (thickness 14 nm), and doped with Zn p is epitaxially grown by known crystal growth methods, such as type InP upper cladding layer 5 MOVPE method (thickness 10 nm). また、p型InP上部クラッド層5上にSiO 膜12を形成する。 Also, to form the SiO 2 film 12 on the p-type InP upper cladding layer 5.

次に、図9(b)に示すように、SiO 膜12を選択成長マスクとしてp型InP上部クラッド層5(厚み100nm)を選択成長させて、四角格子状に配列された複数の円柱状の凹部9を形成することによってフォトニック結晶構造2を形成する。 Next, as shown in FIG. 9 (b), a p-type InP upper cladding layer 5 (thickness 100 nm) is selectively grown a SiO 2 film 12 as a selective growth mask, a plurality of cylindrical shape arranged in a square grid pattern forming a photonic crystal structure 2 by forming the recess 9 of the. この場合、共振器方向と同一の方向における凹部9の周期F1が、その長さ方向と直交する方向における凹部9の周期F2と比べて長くなるように凹部9を配列する。 In this case, the period F1 recess 9 in the same direction as the resonator direction, to arrange the recesses 9 so as to be longer than the period F2 of the recess 9 in the direction orthogonal to the longitudinal direction.

なお、以上のようにしてフォトニック結晶構造2を形成する場合において、選択成長のときにファセットが形成されるおそれがある。 Incidentally, in the case of forming a photonic crystal structure 2 as described above, there is a possibility that the facet is formed when the selective growth. しかし、膜厚が200nm以下程度のように小さい場合にはファセットは形成されなかった。 However, if the film thickness is smaller as the degree 200nm or less facets were formed.

次に、図9(c)に示すように、ストライプ構造を形成するためにn型InP基板1の一部に至るまでを燐酸系エッチャントでエッチングする。 Next, as shown in FIG. 9 (c), it is etched in phosphoric acid etchant everything from a portion of the n-type InP substrate 1 to form the stripe structure. なお、図中の13は前述したようにp型InP上部クラッド層を選択成長させたときの成長領域を示している。 Incidentally, 13 in the figure shows the growth region when the p-type InP upper cladding layer is selectively grown as described above. そして、図9(d)に示すように、上部電極6としてCr/Pt/Au電極をストライプ構造10におけるp型InP上部クラッド層13の表面に蒸着させる。 Then, as shown in FIG. 9 (d), depositing a Cr / Pt / Au electrode as the upper electrode 6 on the surface of the p-type InP upper cladding layer 13 in the stripe structure 10. また、図示しないが、下部電極7としてAu−Sn電極をn型InP基板1の裏面に蒸着させる。 Although not shown, to deposit Au-Sn electrode as the lower electrode 7 on the rear surface of the n-type InP substrate 1. この場合、上部電極6は、p型InP上部クラッド層5の表面上に、平面視においてフォトニック結晶構造2と共振器方向に並ぶように形成させるために、リフトオフにより成形される。 In this case, the upper electrode 6, on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5, in order to form so as to align the direction of the cavity and the photonic crystal structure 2 in a plan view, it is formed by lift-off.

以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することができる。 It is possible to manufacture a semiconductor light-emitting device of the present embodiment by the above steps.

ところで、図6に示すように凹部9がn型InP下部クラッド層3の途中まで形成されている構成を得るためには、まずn型InP下部クラッド層3の一部までエピタキシャル成長させておき、その後に前述したようにSiO 膜を選択成長マスクとしてn型InP下部クラッド層3、活性層4、およびp型InP上部クラッド層5を選択成長させるようにすればよい。 Meanwhile, in order to obtain a structure in which the recess 9 as shown in FIG. 6 is formed to the middle of the n-type InP lower cladding layer 3 is allowed to epitaxially grow initially to a part of the n-type InP lower cladding layer 3, then the SiO 2 film n-type InP lower clad layer 3 as a selective growth mask may be to selectively growing the active layer 4, and the p-type InP upper cladding layer 5 as described above in. この場合、選択成長マスクの近傍ではファセットが形成されるために各層の膜厚が薄くなって耐圧が低下し、リーク電流が生ずるおそれがある。 In this case, in the vicinity of the selective growth mask breakdown voltage is reduced becomes the film thickness of each layer is thin to the facet is formed, there is a risk that a leakage current occurs. そこで、膜厚が小さい領域をエッチングして除去する工程を設けることが好ましい。 Therefore, it is preferable to provide a step of removing by etching a region film thickness is small. 具体的には、選択成長工程が終了した後にCH またはSF ガスで膜厚が小さい領域をエッチングする。 Specifically, etching the region film thickness is small in CH 4 or SF 6 gas after selective growth process is completed. これにより、閾値電流の増大を防止することができる。 Thus, it is possible to prevent an increase in the threshold current.

なお、本実施の形態では円柱状の凹部9を設けているが、円柱状の凸部を設けるようにしてもよい。 Note that in this embodiment is provided with a cylindrical recess 9 may be provided a cylindrical protrusion. しかし、凸形状の場合では、孤立した円柱状の結晶を選択成長させることになる。 However, in the case of a convex shape, thereby selectively growing the isolated columnar crystals. この場合、各凸部の成長は独立に進行する。 In this case, the growth of each convex section proceeds independently. その結果、各凸部の高さがそれぞれ異なる事態が容易に生ずるため、選択成長時の安定性の確保という観点から問題があった。 As a result, the height of each convex portion occurs easily different situations respectively, there is a problem from the viewpoint of ensuring the stability at the time of selective growth. また、成長速度が比較的大きい場合においては凸部の先端にファセットが形成されることになるため、平坦にならないという問題があった。 In the case the growth rate is relatively large because that would facet at the tip of the convex portion is formed, there is a problem that does not become flat. そこで、選択成長条件を注意深く選択し、例えば成長温度の低下などの成長条件の最適化により円柱状の凸部を有するフォトニック結晶構造を作製しなければならない。 Therefore, by careful selection of the selective growth conditions, it must produce a photonic crystal structure having a columnar protrusion by optimizing the growth conditions, such as for example lowering of the growth temperature.

以上のようにして製造された半導体発光素子において、実施の形態1の場合と同様に、上部電極6と下部電極7との間に電圧を印加すると活性層4において誘導放出が起きる。 In the semiconductor light emitting device fabricated as described above, as in the first embodiment, the stimulated emission in the active layer 4 when a voltage is applied between the upper electrode 6 and the lower electrode 7 takes place. これにより活性層4で光が発生する。 Thus the light generated in the active layer 4. この光は、活性層4内で増幅されると共に、フォトニック結晶構造2において、n型InP基板1に垂直な方向に回折される。 This light, while being amplified in the active layer 4, the photonic crystal structure 2 is diffracted in a direction perpendicular to the n-type InP substrate 1. その結果、フォトニック結晶構造2からn型InP基板1に垂直な方向に光が放出される。 As a result, light is emitted in a direction perpendicular to the n-type InP substrate 1 from the photonic crystal structure 2.

図10は本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、(a)は共振器方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、(b)はその共振器方向と直交する方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。 Figure 10 is an explanatory view illustrating a light emitting state of the semiconductor light-emitting device according to a second embodiment of the present invention, the relationship between (a) the light of wave number and energy of the photonic crystal structure in the resonator direction They are diagrams showing, (b) is a diagram showing the relationship between the light of wave number and energy of the photonic crystal structure in the direction perpendicular to the cavity direction.

本実施の形態の場合、共振器方向においては、フォトニック結晶の周期Λを、自然放出光の波長とフォトニックバンドギャップの高エネルギー端とが一致するように設定してある。 In the present embodiment, in the cavity direction, the period of the photonic crystal lambda, is set as the high-energy end of the wavelength and the photonic band gap of the spontaneous emission light are matched. ここで、共振器方向と直交する方向においては、共振器方向と同一の方向の場合と比べてフォトニック結晶の周期Λを小さくしてあるため、n eff・ω/c=π/Λより、図10(a)および(b)に示すようにフォトニックバンドギャップの中心エネルギー(ωと等価)は増加することになる。 Here, in the direction perpendicular to the cavity direction, because you have reduced cycle lambda photonic crystal as compared with the case of the cavity direction in the same direction, from n eff · ω / c = π / Λ, Figure 10 central energy (omega equivalent) of the photonic band gap as shown in (a) and (b) will increase.

図10(a)および(b)に示すように、共振器方向では自然放出光とバンド端とがカップリング(結合)しているが、共振器方向と垂直な方向では自然放出光の波長はフォトニックバンドギャップ内部に位置することになる。 As shown in FIG. 10 (a) and (b), the resonator direction is the spontaneous emission and the band edge are coupled (coupling), the wavelength in the resonator direction and the spontaneous emission in a direction perpendicular It will be located inside the photonic band gap. したがって、共振器方向と垂直な方向には自然放出光が伝播しないことになる。 Therefore, the spontaneous emission light is not propagated in the cavity direction perpendicular to the direction. その結果、ストライプ構造の外部への光の染み出しが減少するため、共振器方向およびその共振器方向と垂直な方向におけるフォトニック結晶の周期が等しい場合と比べて、低閾値電流での発振を実現することができる。 As a result, the seepage of light to the outside of the stripe structure is reduced, as compared with the period of a photonic crystal in the resonator direction and the cavity direction perpendicular to the direction are equal, the oscillation at a low threshold current it can be realized.

また、本実施の形態の半導体発光素子では、断面が真円の円柱状の凹部を用いたとしても偏波面の制御が可能となる。 Further, in the semiconductor light-emitting device of the present embodiment, it becomes possible to control the polarization plane in cross section was used a cylindrical recess of a perfect circle. 実施の形態1においては、共振器方向にTEモードが形成されることを示したが、このストライプ構造の幅が大きくなるとモードの安定性が低下するという問題があった。 In the first embodiment, but showed that the TE mode is formed in the cavity direction, the stability of the mode is lowered when the width of the stripe structure becomes large. 本実施の形態の場合、フォトニック結晶のピッチを変化させて共振器方向に垂直な方向においてフォトニックバンドギャップを形成することによって、この垂直な方向においてはTEモードが存在できなくなる。 In the present embodiment, by forming a photonic band gap in a direction perpendicular to the resonator direction by changing the pitch of the photonic crystal, it can not be present TE mode in the vertical direction. これにより、ストライプ構造の幅が大きい場合であっても、安定して共振器方向にTEモードを誘起することが可能になる。 Accordingly, even when the width of the stripe structure is large, it is possible to induce the TE mode stably in the resonator direction.

ところで、選択成長をさせる場合では、成長時にファセットが形成されるために矩形の構造を再現性良く作製することができる。 Incidentally, in the case of the selective growth can be a rectangular structure making good reproducibility for facets are formed during the growth. 特に、凸部を選択成長させるような場合には、ファセット成長を行うことにより形状均一性に優れた凸部を作製することができる。 In particular, when a convex portion that is selectively grown can be made excellent protrusions in the shape uniformity by performing facet growth. したがって、成長条件を最適化することにより凸部を選択成長で作製する場合には、角柱状の凸部からなるフォトニック結晶構造を容易に得ることができる。 Therefore, in the case of manufacturing the protrusion by selective growth by optimizing the growth conditions, it is possible to easily obtain a photonic crystal structure comprising a prismatic protrusion.

(実施の形態3) (Embodiment 3)
実施の形態3では、ストライプ構造の端面に光を反射させる反射膜を形成することによって自然放出光および誘導放出光が共振器方向で漏れることを防止することができる半導体発光素子について示す。 In the third embodiment, showing a semiconductor light emitting device capable of spontaneous emission light and stimulated emission light is prevented from leaking in the cavity direction by forming a reflecting film for reflecting light to the end face of the stripe structure.

図11は本発明の実施の形態3に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は(a)のA−A線矢視図である。 Figure 11 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the arrangement, (b) is A-A view taken along line diagram of (a) it is. 図11(a)および(b)に示すように、ストライプ構造10の両端面にはアルミナとチタニアとからなる絶縁体多層薄膜11が形成されている。 As shown in FIG. 11 (a) and (b), the end faces of the stripe structures 10 insulator multilayer thin film 11 made of alumina and titania are formed. なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成については実施の形態1の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。 Incidentally, the description thereof is omitted are denoted by the same reference numerals so are the same as in the first embodiment for the other configuration of the semiconductor light-emitting element of this embodiment.

次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the semiconductor light-emitting device of the present embodiment configured as described above will be described.

まず、実施の形態1の場合と同様にしてフォトニック結晶構造2を作製する。 First, a photonic crystal structure 2 in the same manner as the first embodiment. 次に、ストライプ構造の両端面をドライエッチングで垂直に成形した後、図11(a)および(b)に示すように、その両端面にアルミナとチタニアとからなる絶縁体多層薄膜11をそれぞれ積層させる。 Then, after both end faces of the stripe structure is formed vertically by dry etching, as shown in FIG. 11 (a) and (b), laminating the insulating multilayer film 11 made of alumina and titania both end faces thereof, respectively make. その後、ドライエッチングした溝に沿って素子を分離する。 Thereafter, to separate the elements along the groove dry etching. 本実施の形態においては、絶縁体多層薄膜11をストライプ構造10の垂直な端面に堆積(デポ)させるために、ECRスパッタ法を用いて高反射多層膜を積層させることによって絶縁体多層薄膜11を形成した。 In the present embodiment, in order to deposit (depot) an insulator multilayer film 11 perpendicular to the end face of the stripe structure 10, the insulating multilayer film 11 by laminating a highly reflective multilayer film by ECR sputtering the formed. 絶縁体多層薄膜11の層数を4とした場合、98%の反射率を得た。 If the 4 number of layers of insulator multilayer thin film 11, to obtain a reflectance of 98%. このような高反射の絶縁体多層薄膜11を形成することにより、ストライプ構造10の端面における反射損失を大きく低減することが可能となる。 By forming the insulating multilayer film 11 of such a highly reflective, it is possible to greatly reduce the reflection loss at the end face of the stripe structure 10. これにより、実施の形態1にも示したとおり、長さ50μm程度の短共振器において閾値電流を20μm程度とすることが可能となる。 Thus, as shown in the first embodiment, the threshold current can be set to about 20μm in length 50μm approximately short cavity.

しかしながら、垂直な面に絶縁体多層薄膜11を形成した場合、各層のデポ時において絶縁体薄膜の膜厚が不均一となり、反射損失が増大するおそれがあるという問題があった。 However, in the case of forming the insulating multilayer film 11 in a plane perpendicular, the film thickness of the insulating thin film at the time of each of the depot is not uniform, the reflection loss is a problem that is likely to increase. そこで、次のような構成とすることが好ましい。 Therefore, it is preferable that the following configuration.

図12は本発明の実施の形態3に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は(a)のB−B線矢視図である。 Figure 12 is a diagram showing a configuration of a variation of the semiconductor light-emitting device according to a third embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the arrangement, B-B line of (b) is (a) is an arrow view. この変形例では絶縁体多層薄膜に代えてフォトニック結晶により反射鏡を構成している。 In this modification constitutes a reflecting mirror by the photonic crystal in place of the insulator multilayer thin film.

図12(a)および(b)に示すように、p型InP上部クラッド層5からn型InP基板1に至るまで、平面視でストライプ状になるように分離溝18が形成されている。 As shown in FIG. 12 (a) and (b), the p-type InP upper cladding layer 5 to the n-type InP substrate 1, the separation groove 18 so that a stripe shape is formed in plan view. この分離溝18で囲まれた領域17内のp型InP上部クラッド層5の表面にはフォトニック結晶構造2および上部電極6が形成されている。 Photonic crystal structure 2 and the upper electrode 6 is formed on the p-type surface of the InP upper cladding layer 5 of the separation groove 18 in a region surrounded by the 17. 一方、分離溝18で囲まれた領域17を取り囲むように、当該領域17の外側のp型InP上部クラッド層5には円柱状の反射用凹部15が四角格子状に形成されている。 On the other hand, so as to surround the region 17 surrounded by the separation grooves 18, the outside of the p-type InP upper reflective concave portion 15 of the cylindrical the cladding layer 5 of the region 17 is formed in a square lattice. ここで、α方向およびβ方向の何れの方向においても、反射用凹部15の周期(隣り合う反射用凹部15間の間隔)は、凹部9の周期よりも短くなっている。 Here, in either direction of the α direction and β direction, the period of the reflection recess 15 (distance between the reflective concave portion 15 adjacent) is shorter than the period of the recesses 9. この反射用凹部12は、上部クラッド層5から下部クラッド層3の途中に至るまで形成されている。 The reflecting recesses 12 are formed from the upper cladding layer 5 up to the middle of the lower cladding layer 3. このようにして反射用凹部12が形成されている領域が反射鏡領域となる。 Thus a region reflecting recess 12 is formed becomes the reflector region. 領域17と反射鏡領域とを分離溝18により分離させているのは、領域17から反射鏡領域への電流のリークを抑制するためである。 It is What is separated by a an area 17 and the reflector region separation groove 18 is to suppress the leakage of current from the region 17 to the reflector region.

前述した例のようにストライプ構造の端面に絶縁体多層薄膜を形成して反射鏡を構成した場合には、共振器方向と同一の方向の光しか反射することができないため、レーザ用の反射鏡としては問題ない。 Since when forming an insulator multilayer thin film on the end face of the stripe structure as above example to constitute a reflector, only light in the resonator direction and the same direction can not be reflected, the reflection mirror for laser as there is no problem. しかし、本発明のように自然放出光を制御する場合には、共振器方向からわずかにずれた方向の自然放出光を十分に反射できないという問題があった。 However, when controlling the spontaneous emission light as in the present invention, it has been impossible to sufficiently reflect spontaneous emission light in a direction slightly deviated from the resonator direction. これに対して、本変形例の場合、反射鏡領域において反射用凹部12を片側に4周期程度設けた場合には98%の反射率が得られ、図12(a)に示すように同じく片側に2周期設けた場合であっても95%程度の反射率が得られることがわかった。 For contrast, the present modified example, 98% of the reflectance obtained in the case of providing approximately four cycles a reflecting recess 12 on one side in the reflector region, also on one side as shown in FIG. 12 (a) reflectance of about 95% even when provided two periods is found to result in. その結果、実施の形態1にも示したとおり、長さ20μm程度の短共振器において閾値電流のないレーザ発振を実現することが可能となる。 As a result, as shown in the first embodiment, it is possible to realize a laser oscillation without threshold current in the length 20μm about short cavity.

(実施の形態4) (Embodiment 4)
実施の形態4では、ストライプ構造の全体に亘ってフォトニック結晶構造を形成することにより、反射面における光の位相の揺らぎによってモードが不安定になることを防止することができる半導体発光素子を示す。 In the fourth embodiment, by forming a photonic crystal structure over the entire stripe structure, a semiconductor light-emitting device can be prevented that the mode by phase fluctuations of the light at the reflecting surface becomes unstable .

図13は本発明の実施の形態4に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は(a)のC−C線矢視図である。 Figure 13 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the arrangement, (b) is view taken along line C-C view of (a) it is.

図13(a)および(b)に示すように、ストライプ形状をなしているp型InP上部クラッド層5の全体に亘って円柱状の凹部9が四角格子状に形成されている。 As shown in FIG. 13 (a) and (b), a cylindrical recess 9 is formed in a square grid pattern over the entire p-type InP upper cladding layer 5 which forms a stripe shape. なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成は実施の形態3の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。 The remaining structure of the semiconductor light emitting device of this embodiment will be omitted with the same reference numerals are the same as in the third embodiment.

次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the semiconductor light-emitting device of the present embodiment configured as described above will be described.

まず、実施の形態1の場合と同様にしてフォトニック結晶構造2を作製するが、この際に円柱状の凹部9をドライエッチングによりストライプ構造10の上面の全体に亘って形成する。 First, to produce a photonic crystal structure 2 in the same manner as the first embodiment, it is formed over a cylindrical recess 9 in this entire upper surface of the stripe structure 10 by dry etching. 次に、フォトニック結晶構造2の一部の表面上にストライプ状の上部電極6を蒸着する。 Then, depositing a stripe-shaped upper electrode 6 on a portion of the surface of the photonic crystal structure 2. そして、共振器を形成するためにストライプ構造10の両端面をドライエッチングで垂直に成形した後、その両端面にアルミナとアモルファスシリコンとからなる絶縁体多層薄膜11を積層させる。 After the end faces of the stripe structures 10 were formed vertically by dry etching to form a cavity, is laminated an insulating multilayer film 11 made of alumina and amorphous silicon on both end faces thereof. その後、ドライエッチングした溝に沿って素子を分離する。 Thereafter, to separate the elements along the groove dry etching. これにより、図13(a)および(b)に示す本実施の形態の半導体発光素子を得ることができる。 Thus, it is possible to obtain a semiconductor light-emitting device of the present embodiment shown in FIG. 13 (a) and (b).

なお、上部電極を形成する工程においては、凹部9の内部に電極金属が回り込むのを防止するために、全ての電極材料を蒸着させるのではなく、フォトニック結晶構造2上に薄くCr/Ptを堆積させてコンタクト抵抗を低下させた後にPt/Auからなる金属箔を接着させることにより上部電極を形成する。 In the step of forming the upper electrode, in order to prevent the electrode metal from flowing into the interior of the recess 9, instead of depositing all the electrode material, a thin Cr / Pt on the photonic crystal structure 2 It is deposited to form the upper electrode by bonding the metal foil made of Pt / Au after reducing the contact resistance. ところで、図6に示したように凹部9を下部クラッド層3の途中まで形成する場合においては、電極材料が回り込むことによるリーク電流の増大が著しい。 Incidentally, in the case of forming a recess 9 as shown in FIG. 6 to the middle of the lower cladding layer 3, an increase in leakage current due to the electrode material from flowing significant. そこで、この場合においては、フォトニック結晶構造2の表面に薄くSiO 膜を堆積させ、CHF を用いたICPドライエッチングで当該SiO 膜の平坦部表面のみをエッチングで除去した後に上部電極6を蒸着させることが好ましい。 Therefore, in this case, it is deposited thinly SiO 2 film on the surface of the photonic crystal structure 2, the upper part after removing only the flat portion surface of the SiO 2 film by etching with ICP dry etching using CHF 3 electrodes 6 it is preferable to deposit.

以上のようにして製造された半導体発光素子において、実施の形態1の場合と同様に、上部電極6と下部電極7との間に電圧を印加すると活性層4において誘導放出が起きる。 In the semiconductor light emitting device fabricated as described above, as in the first embodiment, the stimulated emission in the active layer 4 when a voltage is applied between the upper electrode 6 and the lower electrode 7 takes place. これにより活性層4で光が発生する。 Thus the light generated in the active layer 4. この光は、活性層4内で増幅されると共に、フォトニック結晶構造2において、n型InP基板1に垂直な方向に回折される。 This light, while being amplified in the active layer 4, the photonic crystal structure 2 is diffracted in a direction perpendicular to the n-type InP substrate 1. その結果、フォトニック結晶構造2の上部電極6と平面視において重ならない領域からn型InP基板1に垂直な方向に光が放出される。 As a result, light is emitted in a direction perpendicular to the photonic n-type InP substrate 1 from a region not overlapping the upper electrode 6 and the plan view of the crystal structure 2.

以上のように、ストライプ構造10の上面の全体に亘ってフォトニック結晶を設けることによって、半導体発光素子を高速で変調させる場合においても共振器内に形成される定在波が安定する。 As described above, by providing a photonic crystal throughout the upper surface of the stripe structure 10, the standing wave formed in the resonator even when modulating the semiconductor light emitting element at high speed is stabilized. これは、半導体発光素子に変調電流を注入した場合、共振器内部におけるキャリア密度の変動により屈折率が変化するため、フォトニック結晶が存在していない領域では定在波が乱れるためである。 This, when injected a modulation current to the semiconductor light-emitting device, for which the refractive index is changed by variation of the carrier density inside the resonator, in a region where the photonic crystal is not present because the standing wave is disturbed. 本実施の形態においては、ストライプ構造10の上面の全体に亘ってフォトニック結晶構造2を形成することによって、フォトニック結晶の周期に光の摂動を強制的に同期させている。 In the present embodiment, by forming a photonic crystal structure 2 over the entire upper surface of the stripe structure 10 is forcibly synchronize the perturbation of light to the period of the photonic crystal. これにより、40GHz程度の変調速度の場合においても安定した発光モードを得ることができることがわかった。 Thus, it was found that it is possible to obtain a light emission mode that stable even in the case of the modulation rate of about 40 GHz. しかし、共振器(活性層4)の長さが100μm以上と大きくなった場合には、共振器内の光密度に共振器方向の分布が生じることになるため、動作速度が制限されるという問題が生じる。 However, a problem that the length of the resonator (active layer 4) when the larger and more 100μm, since that would cavity direction of the distributions in the optical density in the resonator is generated, the operation speed is limited It occurs. したがって、本実施の形態では共振器の長さを100μm以下にすることが好ましい。 Therefore, in the present embodiment is preferably not more than 100μm the length of the resonator.

ところで、閾値電流を低下させることよりもモードの安定性が要求されるような場合では、図14(a)に示すように、円柱状の凹部9の一部を平板状の凹部16とすることが好ましい。 Incidentally, in the case than to reduce the threshold current as the stability of the mode is required, as shown in FIG. 14 (a), to a portion of the cylindrical recess 9 a flat recess 16 It is preferred. 図14(a)では、上部電極6が形成されている領域に複数の平板状の凹部16が形成されている。 In FIG. 14 (a), a plurality of plate-shaped recesses 16 in the region where the upper electrode 6 is formed is formed. なお、ここでモードの安定性の評価指標としては偏波面の安定性までを含めることとする。 Here, as the evaluation index of the stability of mode and the inclusion of up to stability of polarization. 図13(a)に示すような円柱状の凹部9を四角格子状に配列してある二次元フォトニック結晶の場合では、β方向(共振器方向と直交する方向)へも光が結合しているためにβ方向の光分布の変動によって偏波面が回転することとなり、偏波面が不安定となる。 In the case shown in FIG. 13 (a) a cylindrical recess 9 as shown in are arranged in a square lattice form two-dimensional photonic crystal, beta direction coupled light also (in the direction perpendicular to the resonator direction) polarization by β direction of variation of the light distribution to have become to rotate plane of polarization becomes unstable. これに対して、平板状の凹部16を設けた場合では、β方向への自然放出光の摂動は生じず、α方向(共振器方向)に進行する波動しか結合しない。 In contrast, in the case of providing a flat recess 16, the perturbation of the spontaneous emission light in the β direction does not occur, only the wave traveling in the α direction (resonator direction) does not bind. そのため、自然放出光を十分に利用することができず、閾値電流は上昇することになる。 Therefore, it is not possible to utilize the spontaneous emission light sufficiently, the threshold current rises. しかしながら、ストライプ構造の厚み方向において一様な位相で光が摂動を受けることになるため、偏波面の回転は生じない。 However, this means that light is perturbed at a uniform phase in the thickness direction of the stripe structure, there is no rotation of the polarization plane. その結果、閾値電流は0.1mA程度となるが、光出力強度によらず一定の偏波面を有する出力光を得ることができる。 As a result, the threshold current is of the order of 0.1 mA, it is possible to obtain output light having a predetermined polarization plane irrespective of the light output intensity.

一方、光強度よりもモードの安定性が要求される場合には、図14(b)および(c)に示すように、上部電極6を2つに分け、ストライプ構造10の中央部を除く両端部に形成する。 On the other hand, if the stability of the mode than the light intensity is required, as shown in FIG. 14 (b) and (c), divided into an upper electrode 6 into two, both ends except for the central portion of the stripe structure 10 formed in the part. これにより、ストライプ構造10の中央部が光出力領域となる。 Thus, the central portion of the stripe structure 10 serves as a light output region. 図14(e)に示すように強い出力光を得るためには、共振器内の光強度が大きくなる反射面の近傍から光を取り出すことが望ましい。 To obtain a strong output light as shown in FIG. 14 (e), it is desirable to extract light from the vicinity of the reflecting surface where the light intensity in the resonator is increased. しかしながら、端面の近傍では、端面に近づくにしたがって光強度が急激に大きくなるためにホールバーニングが生じて偏波面が不安定になるという問題があった。 However, in the vicinity of the end face, hole burning in the light intensity increases suddenly there has been a problem that polarization becomes unstable occurs toward the end face. そこで、図14(b)および(c)に示すように発光領域を共振器(活性層4)の中央に設けることによって、フォトニック結晶が存在する領域は光強度の弱い領域となるが、ホールバーニングが生じないためにモードが安定化する。 Therefore, by providing the center shown in FIG. 14 (b) and a light emitting region as shown in (c) the cavity (active layer 4), although the region photonic crystal exists a region having a weak light intensity, Hall burning mode is stabilized in order to not occur.

さらに、偏波面の安定性を向上させるために、図14(d)に示すようにストライプ構造の上面の全体に亘って平板状の凹部16を設けるようにしてもよい。 Furthermore, in order to improve the stability of the polarization may be provided a flat recess 16 over the entire upper surface of the stripe structure as shown in FIG. 14 (d). しかしながら、このような構成の場合では偏波面は一定となるが、出力光が共振器内の光と十分に結合することができず、しかも自然放出光を有効に利用することができないため、光出力は低下する。 However, since such a case of the configuration is polarization plane is constant, the output light can not be sufficiently coupled with the light in the resonator, yet it is impossible to effectively utilize the spontaneous emission light, light output is reduced.

本実施の形態では、円柱状または平板状の凹部によりフォトニック結晶構造を構成しているが、円柱状または平板状の凸部によりフォトニック結晶構造を構成するようにしてもよい。 In the present embodiment, constitutes a photonic crystal structure by a cylindrical or plate-shaped recess, it may be formed a photonic crystal structure by a cylindrical or plate-like protrusions. 本実施の形態で凸部ではなく凹部としたのは、凹部の方がドライエッチングによるダメージを抑制することができ、しかもフォトニック結晶の上に電極を形成する場合に凹部とした方が結晶の表面が連続しているためにより平坦となって電極を容易に形成できるためである。 To that the recess rather than the convex portion in this embodiment may be towards the recess to inhibit damage caused by dry etching, moreover it is better to the recess when forming the electrode on the photonic crystals of This is because it easily form the electrodes is a flat by because the surface is continuous. 特に本実施の形態の場合は、凸部によりフォトニック結晶構造を構成することとすると、下部クラッド層までエッチングしたり、活性層を選択成長させたりしたときに、凸部の周辺にも電極金属が蒸着されてしまい短絡を起こすおそれがあるため、凹部とすることが好ましい。 Especially in the case of this embodiment, when configuring the photonic crystal structure by the convex portion, or etched until the lower cladding layer, when or is selectively grown active layer, the electrode metal to the periphery of the convex portion there because it may cause a short circuit will be deposited, it is preferable that the recess.

(実施の形態5) (Embodiment 5)
実施の形態5では、フォトニック結晶構造に位相シフト構造を導入することにより発光モードをより一層安定させることができる半導体発光素子を示す。 In the fifth embodiment, a semiconductor light-emitting device can be made more stable emission mode by introducing a phase shift structure to the photonic crystal structure.

図15は本発明の実施の形態5に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は変形例の構成を示す断面図、(c)はその半導体発光素子のストライプ構造内部における光強度の変化を示す図である。 Figure 15 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the arrangement, (b) is a sectional view showing a configuration of a modification, (c ) is a graph showing changes in light intensity in the stripe structure inside the semiconductor light-emitting device.

図15(a)に示すように、上部電極6は、上部クラッド層5の両端部の上面に形成されており、上部クラッド層5の中央部には形成されていない。 As shown in FIG. 15 (a), the upper electrode 6 is formed on the upper surface of both end portions of the upper cladding layer 5 is not formed in the central portion of the upper cladding layer 5. したがって、本実施の形態の場合はストライプ構造10(共振器)の中央部から光が出射することになる。 Therefore, in the present embodiment will be light from a central portion of the stripe structure 10 (resonator) is emitted.

共振器の中央部以外の領域に位置する共振器方向において隣り合う凹部9間の間隔をLとする。 The distance between the recesses 9 that are adjacent to each other in the cavity direction is located in a region other than the central portion of the resonator and L. 一方、共振器の中央部に位置する共振器方向において隣り合う凹部9間の間隔をL+λ/4nに広げる。 On the other hand, increase the distance between the recesses 9 that are adjacent to each other in the cavity direction is located in the center of the resonator to L + λ / 4n. ここでλは光の波長、nは等価屈折率である。 Here λ is the wavelength of light, n represents an equivalent refractive index. 以下では、このようにλ/4nだけ凹部9間の間隔を広げた構造のことをλ/4nシフト構造と呼ぶ。 Hereinafter, it referred to a thus lambda / 4n simply increasing spacing between recesses 9 structure as lambda / 4n shift structure.

なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成については実施の形態3の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。 Incidentally, the description thereof is omitted are denoted by the same reference numerals so are the same as in the third embodiment for the other configuration of the semiconductor light-emitting element of this embodiment.

以上のように共振器方向においてλ/4nシフト構造を導入することによって左向きの波動と右向きの波動とがカップリングし、図15(c)に示すように、共振器の中央部における光強度が増大することになる。 And the wave and the coupling and wave rightward of leftward by introducing lambda / 4n shift structure in the resonator direction as described above, as shown in FIG. 15 (c), the light intensity at the center of the resonator It will increase. その結果、光は出射する領域の対称性が良くなるため、光ファイバとの接合が容易になるという利点がある。 As a result, light is the symmetry of the region that emits is improved, there is an advantage that bonding of the optical fiber is facilitated. また、光を出射する領域が共振器の中央部に位置することによってより強い光出力を得ることができる。 Further, it is possible to obtain a stronger light output by region for emitting light is positioned at the center of the resonator.

図16は本発明の実施の形態5に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、(c)は図15(a)のα方向(共振器方向)におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、(b)は同じくβ方向(共振器方向と直交する方向)におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。 Figure 16 is an explanatory view illustrating a light emitting state of the semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, (c) the photonic crystal structure in FIG. 15 alpha direction (a) (resonator direction) is a diagram of showing the relationship between the optical wave number and energy, is a diagram showing the relationship between (b) is also β direction light wave number and energy of the photonic crystal structure in (a direction perpendicular to the resonator direction) .

前述したように左向きの波動と右向きの波動とがカップリングして得られる光のエネルギーは、図16(a)に示すようにλ/4nシフトを起源とする格子欠陥が導入された場合と等価となり、フォトニックバンドギャップ内に、欠陥順位と対応する光のエネルギーレベルが形成される。 The energy of the light obtained by waves and wave and the coupling of the right of left as described above, equivalent to the case where the lattice defects that originate from lambda / 4n shifted as shown in Fig. 16 (a) was introduced next, in the photonic band gap, the energy level of the corresponding optical defects order is formed. λ/4nシフト構造を導入した場合、格子欠陥に対応するエネルギーはn eff・ω /c=π/Λにより求められる値となる。 If you introduce a lambda / 4n shift structure, the energy corresponding to the lattice defect becomes a value determined by n eff · ω 0 / c = π / Λ. したがって、このエネルギーは、フォトニックバンドギャップエネルギーの中心のエネルギーに対応することになる。 Therefore, the energy will correspond to the center of energy of the photonic band gap energy. また、フォトニックバンドギャップのエネルギーは、実施の形態4において図14(b)に示したような凹部9が等間隔に四角格子状に配列された場合のΔω=2kc/n effの2倍となる。 The energy of the photonic band gap is twice the Δω = 2kc / n eff when the recess 9 as shown in FIG. 14 (b) are arranged at equal intervals in a square grid pattern in the fourth embodiment Become. このように等間隔に四角格子状に配列された場合では、図10(a)に示すように高エネルギー端と低エネルギー端とで発光する可能性があるが、λ/4nシフト構造を導入することにより最も発光しやすいフォトニックバンドギャップの中央で発光することになる。 In the case where the thus arranged at equal intervals in a square grid pattern, there is a possibility that emits light with a high energy end and low-energy end, as shown in FIG. 10 (a), introducing a lambda / 4n shift structure It will be emitting in the most light-emitting likely to center of the photonic band gap by. また、λ/4nシフト構造の場合、欠陥の高エネルギー側も低エネルギー側もフォトニックバンドギャップ内に位置するため、図7(b)に示した片側にフォトニックバンドギャップが形成されないような均一格子構造の場合と比べてより強く光が摂動を受けることになる。 Moreover, lambda / 4n if the shift structure, located in the high-energy side of the lower energy side of the photonic band gap of the defect, uniform as photonic band gap on one side are not formed shown in FIG. 7 (b) stronger light than in the case of the lattice structure will be perturbed. したがって、大きなQ値を持ち、半値幅が小さく、大きな強度の自然放出光の特定モードによる増幅が可能となる。 Therefore, a large Q value has a half width is reduced, thereby achieving amplification by a particular mode of the spontaneous emission light of high intensity.

本実施の形態において自然放出光の波長と欠陥準位とが一致した場合には、強い摂動による発光が実現されることが分かった。 If in this embodiment the wavelength and defect level of the spontaneous emission light are matched, it was found that light emission due to a strong perturbation is achieved. α方向およびβ方向における周期(隣り合う凹部間の間隔)を調整することによって、横方向(共振器方向と直交する方向)にはフォトニックバンドギャップ内に自然放出光レベルを存在させることができるようになる。 By adjusting the period (interval between adjacent recesses) of the α direction and β direction, the lateral direction (direction perpendicular to the resonator direction) may be present spontaneous emission level in the photonic bandgap so as to. その結果、横方向における光の伝播が不可能となり、共振器方向に単一モードの発光が観測されることになる。 As a result, it is impossible to light propagation in the transverse direction, so that the light emission of the single mode is observed in the resonator direction.

なお、フォトニック結晶構造2は、前述したように円柱状の凹部9で構成されてもよいが、図15(b)に示すように平板状の凹部16で構成されていてもよい。 Incidentally, the photonic crystal structure 2 may be constituted by a cylindrical recess 9 as described above, may be constituted by plate-shaped recess 16 as shown in FIG. 15 (b). 平板状の凹部を用いた場合、閾値電流が大きく光出力の強度が大きくなるとともに、偏波面の安定性が高くなるという特徴がある。 When using a flat recess, the strength of the threshold current increases the optical output is increased, is characterized in that the stability of the polarization increases.

(実施の形態6) (Embodiment 6)
実施の形態6では、フォトニック結晶構造を有したストライプ構造を直交させて設けることにより発光モードをより一層安定させることができる半導体発光素子を示す。 In the sixth embodiment, a semiconductor light-emitting device can be made more stable emission mode By providing the orthogonal stripe structure having a photonic crystal structure.

図17は本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子について説明するための図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す平面図、(b)はその半導体発光素子の動作原理を示す図、(c)は電界の挙動を示す図である。 Figure 17 is a diagram for explaining a semiconductor light-emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing a structure of the semiconductor light emitting element, (b) the operation of the semiconductor light emitting element diagram showing the principle, (c) is a diagram showing the behavior of the electric field.

本実施の形態の場合、他の実施の形態におけるストライプ構造と同様な構造が2つ設けられ、それらの構造は直交して配置されている。 In the present embodiment, similar structures are two provided a stripe structure in other embodiments, these structures are arranged orthogonally. より具体的には、図17(a)に示すように、他の実施の形態と同様にフォトニック結晶構造を有しているストライプ構造10Aおよびストライプ構造10Bを備えており、これらのストライプ構造10Aとストライプ構造10Bとは直交するようにα方向、β方向(α方向と直交する方向)にそれぞれ配置されている。 More specifically, as shown in FIG. 17 (a), it has a stripe structure 10A and the stripe structure 10B has a photonic crystal structure similarly to the other embodiments, these stripe structure 10A are respectively arranged alpha direction so as to be perpendicular to the β direction (alpha direction perpendicular to the direction) stripe structure 10B and. また、ストライプ構造10Aとストライプ構造10Bとが交差している領域Bには上部電極6が形成されておらず、それ以外の領域A上に上部電極6が形成されている。 Moreover, the region B where the stripe structure 10A and the stripe structure 10B intersect no upper electrode 6 is formed, the upper electrode 6 is formed on the other regions A.

なお、本実施の形態のその他の構成については実施の形態1の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。 Incidentally, the description thereof is omitted are denoted by the same reference numerals are the same as those of the embodiment 1 for other configurations of the present embodiment.

次に本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。 Then a method of manufacturing a semiconductor light-emitting device of the present embodiment will be described. 図19は本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す断面図、(b)から(d)はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。 Figure 19 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting element, from (b) (d ) is a plan view showing a structure of the semiconductor light-emitting device.

実施の形態1において図5(a)を参照して前述したように、n型InP基板1上に、Siをドーピングしたn型InP下部クラッド層3(厚み100nm)、アンドープの活性層4(厚み14nm)、およびZnをドーピングしたp型InP上部クラッド層5(厚み50nm)をMOVPE法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる(図19(a))。 As described above with reference to FIGS. 5 (a) in the first embodiment, on an n-type InP substrate 1, an n-type InP lower cladding layer 3 (thickness 100 nm) doped with Si, an undoped active layer 4 (thickness 14 nm), and p-type InP upper cladding layer 5 doped with Zn (thickness 50 nm) is epitaxially grown by known crystal growth method such as MOVPE method (Fig. 19 (a)).

次に、実施の形態1と同様に、SiO 膜をエッチングマスクとして、Cl ガスおよびCH ガスを用いて円形状にICPドライエッチングすることにより複数の円柱状の凹部9を形成する。 Then, as in the first embodiment, the SiO 2 film as an etching mask to form a plurality of cylindrical recesses 9 by ICP dry etching in a circular shape using a Cl 2 gas and CH 4 gas. この場合、図19(b)に示すとおり、各凹部9は四角格子状に並ぶように形成され、しかもそれらの凹部9が十字状となるように配列される。 In this case, as shown in FIG. 19 (b), each recess 9 is formed so as to be arranged in a square lattice shape, yet are arranged such that their recesses 9 is cross-shaped. これらの複数の凹部9が配列された領域がフォトニック結晶構造となる。 Regions in which these plurality of recesses 9 are arranged is a photonic crystal structure.

次に、実施の形態1と同様に、ストライプ構造を形成するために、p型InP上部クラッド層5からn型InP基板1の一部までを燐酸系エッチャントでエッチングする(図19(c))。 Then, as in the first embodiment, in order to form a stripe structure, a p-type InP upper cladding layer 5 to a part of the n-type InP substrate 1 is etched by phosphoric acid etchant (FIG. 19 (c)) . そして、図19(d)に示すように、上部電極6としてCr/Pt/Au電極をp型InP上部クラッド層5の表面に、下部電極(図示せず)としてAu−Sn電極をn型InP基板1の裏面にそれぞれ蒸着させる。 Then, as shown in FIG. 19 (d), a Cr / Pt / Au electrode as the upper electrode 6 on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5, n-type InP a Au-Sn electrode as a lower electrode (not shown) each is deposited on the back surface of the substrate 1. この場合、上部電極6は、p型InP上部クラッド層5の表面であって、十字の交差部分以外の領域に形成させるために、リフトオフにより成形される。 In this case, the upper electrode 6, a surface of the p-type InP upper cladding layer 5, in order to form in a region other than the intersection of the cross, is molded by lift-off. これによりストライプ構造10Aおよびそのストライプ構造10Aと直交するストライプ構造10Bが作製される。 Thus stripe structure 10B which is perpendicular to the stripe structure 10A and the stripe structure 10A is produced.

以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することができる。 It is possible to manufacture a semiconductor light-emitting device of the present embodiment by the above steps.

次に本実施の形態の半導体発光素子の動作原理について図17(b)を参照して説明する。 Next, the operation principle of the semiconductor light-emitting device of the present embodiment will be described with reference FIG. 17 (b). 図17(b)において縦軸はエネルギーを、横軸は波数をそれぞれ示している。 Vertical axis represents energy in FIG. 17 (b), the horizontal axis represents the wave number, respectively. ストライプ構造10Aおよび10Bが交差している領域B以外の領域Aにおいては、共振器方向にモードが局在するため、縮退が解けて、高エネルギー端が2つのバンドにスプリットする。 In the region A other than the region B in which stripe structure 10A and 10B intersect, since the mode in the resonator direction is localized, degeneracy is solved, a high energy end is split into two bands. 一方、ストライプ構造10Aおよび10Bが交差している領域Bにおいては、α方向とβ方向とが対称であるため、1つのエネルギー準位に縮退する。 On the other hand, in the region B where stripe structure 10A and 10B are crossed, the α direction and β direction because it is symmetrical, degenerates into one energy level. ここで、領域Aにおける光が領域Bに入射した場合、領域Aの低エネルギー側の光A1は領域Bのバンドギャップ内に位置するために伝播できず、その結果放射モードとなる。 Here, if the light in the region A is incident on the area B, the light A1 of the low-energy side of the region A can not be propagated to locate within the band gap of the region B, the resulting radiation modes. 一方、高エネルギー側の光A2は領域Bを通過するために増幅される。 On the other hand, light A2 of the high energy side is amplified to pass area B. 領域Bの回折効率κおよび周期Λを調節することによって得られた領域B'において、領域Aの光A2と領域Bの高エネルギー端のエネルギーとが一致するようにすると、領域Aの光A2のみが増幅され、外部に取り出されることになる。 In the region B 'obtained by adjusting the diffraction efficiency κ and period Λ in the region B, when such an energy of the high energy end of the optical A2 and region B in the region A is matched, only light A2 of the area A There is amplified, it would be taken out to the outside. この場合の電界の挙動は、図17(c)に示すようにα方向の電場の変動とβ方向の電場の変動とが直交することにより、光の周波数で偏波面が回転することになる。 Behavior of the electric field in this case, by the the variation of the α direction of the electric field electric field change and the β direction as shown in FIG. 17 (c) perpendicular, so that the polarization plane at the frequency of the light is rotated. 通常の観測では、電場が直交しており、磁場と電場とが重なって観測されることになる。 In normal observation, and an electric field is perpendicular will be observed overlap the magnetic and electric fields. その結果、電場の方向は共振器方向、すなわちフォトニック結晶構造の周期ポインティングベクトルの方向となる。 As a result, the direction of the electric field is the direction of the period Poynting vector in the cavity direction, i.e. the photonic crystal structure. 通常のフォトニック結晶素子の場合には、電場が周期ポインティングベクトルからずれることが問題となっているが、本実施の形態の場合ではポインティングベクトルの方向に直交する電場が存在することが分かった。 In the case of a normal photonic crystal device is that the electric field is shifted from the period Poynting vector is a problem, in the case of this embodiment it was found that there is an electric field perpendicular to the direction of the Poynting vector.

なお、本実施の形態の半導体発光素子は、実施の形態3において図14(a)から(d)を参照して前述したような種々の構成を応用することができる。 The semiconductor light-emitting device of the present embodiment can be with reference to FIG. 14 (a) (d) In the third embodiment applying the various configurations as described above.

図18は、本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、(a)はその変形例の構成を示す平面図、(b)は他の変形例の構成を示す平面図である。 Figure 18 is a diagram showing a configuration of a variation of the semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the configuration of a modified example thereof, (b) is another modification it is a plan view showing a configuration. 図18(a)に示す変形例では、ストライプ構造10Aおよび10Bの領域Aにおけるフォトニック結晶構造が平板状の凹部16によって構成されている。 In the modification shown in FIG. 18 (a), the photonic crystal structure in the region A of the stripe structure 10A and 10B are constituted by plate-shaped recesses 16. また、図18(b)に示す変形例では、ストライプ構造10Aの領域Aにおけるフォトニック結晶構造は円柱状の凹部9によって構成されており、ストライプ構造10Bの領域Aにおけるフォトニック結晶構造は平板状の凹部16によって構成されている。 Further, in the modification shown in FIG. 18 (b), the photonic crystal structure in the region A of the striped structure 10A is constituted by a cylindrical recess 9, the photonic crystal structure in the region A of the striped structure 10B tabular It is constituted by the recess 16 of the. このように構成した場合、領域Aにおける光(図17(b)におけるA1)の発光が抑制されることになる。 In such a configuration, so that the emission of light (A1 in FIG. 17 (b)) in the region A can be suppressed.

また、図20(a)から(d)は、本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の他の変形例の構成を示す平面図である。 Further, FIG. 20 (a) (d) is a plan view showing the configuration of another modification of the semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention. 図20(a)に示す変形例では、光出力領域となる領域Bにおいて、平面視で平方格子状の凹部19が形成されている。 In the modification shown in FIG. 20 (a), in the region B where the light output area, square lattice-like recess 19 in plan view is formed. また、図20(b)に示す変形例では、同じく領域Bにおいて、平面視で四角管状の凹部20が入れ子状に形成されている。 Further, in the modification shown in FIG. 20 (b), in the same area B, the recess 20 of square tubular is formed nested shape in plan view. このような構成の場合でもポインティングベクトルの回転が抑制されることが分かった。 Rotation of the Poynting vector even in such a configuration has been found to be inhibited. 特に、共振器構造を形成するストライプ構造の外部に漏れ出す自然放出光を抑制するために、ストライプ構造の外部に発光波長がフォトニックバンドギャップ内になるように周期を調整した円柱状の凹部を形成することによって、発光効率を増大することができた。 In particular, in order to suppress the spontaneous emission leaking to the outside of the stripe structure forming the resonator structure, the cylindrical recess outside the emission wavelength of the stripe structure was adjusted periodically so that the photonic bandgap by forming, it was possible to increase the luminous efficiency.

また、図20(c)に示す変形例においては、発光波長がフォトニックバンドギャップ内に存在するフォトニック結晶構造が共振器(ストライプ構造10Aおよび10B)の周囲に形成されている。 Further, in the modification shown in FIG. 20 (c), the photonic crystal structure having an emission wavelength exists in the photonic band gap is formed around the cavity (stripe structure 10A and 10B). この場合には共振器端面に高反射膜を形成する必要がないという利点がある。 In this case there is an advantage that it is not necessary to form a highly reflective film on the cavity end face. 図21にこのような変形例の製造方法を示している。 It illustrates a method of manufacturing such a modification in FIG. 21.

図21は本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の変形例の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその変形例の構成を示す断面図、(b)から(d)はその変形例の構成を示す平面図である。 Figure 21 is an explanatory view for explaining a manufacturing method of a modification of the semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the modified example, the (b) (d) is a plan view showing the configuration of a modified example thereof.

実施の形態1において図5(a)を参照して前述したように、n型InP基板1上に、Siをドーピングしたn型InP下部クラッド層3(厚み100nm)、アンドープの活性層4(厚み14nm)、およびZnをドーピングしたp型InP上部クラッド層5(厚み50nm)をMOVPE法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる(図21(a))。 As described above with reference to FIGS. 5 (a) in the first embodiment, on an n-type InP substrate 1, an n-type InP lower cladding layer 3 (thickness 100 nm) doped with Si, an undoped active layer 4 (thickness 14 nm), and p-type InP upper cladding layer 5 doped with Zn (thickness 50 nm) is epitaxially grown by known crystal growth method such as MOVPE method (Fig. 21 (a)).

次に、十字状となるように、複数の平板状の凹部16および円柱状の凹部9を並べて形成する。 Next, as a cross-shaped, formed by arranging a plurality of plate-shaped recesses 16 and cylindrical recess 9. 具体的には、図21(b)に示すように、十字状の交差領域には円柱状の凹部9を四角格子状に配列し、その他の領域には平板状の凹部16を所定の間隔で配列する。 More specifically, as shown in FIG. 21 (b), the cross-shaped crossing regions are arranged a cylindrical recess 9 in a square lattice shape, a plate-shaped recess 16 in the other region at given intervals sequences. そして、このようにして得られた十字状の領域の周囲には、当該十字状の領域を取り囲むように、円柱状の反射用凹部21が四角格子状に形成されている。 Then, around the cross-shaped region thus obtained, so as to surround the cross-shaped region, a cylindrical reflecting recesses 21 are formed in a square lattice.

次に、図21(c)に示すように、平板状の凹部16および円柱状の凹部9により構成される十字状の領域を取り囲むように、分離溝22を形成する。 Next, as shown in FIG. 21 (c), so as to surround the cross-shaped region formed by plate-shaped recesses 16 and cylindrical recess 9, forming an isolation groove 22. そして、図21(d)に示すように、十字状の交差領域以外の領域に上面電極を蒸着させる。 Then, as shown in FIG. 21 (d), depositing a top electrode in a region other than the cross-shaped intersection region.

以上の工程により、図20(c)に示すような本実施の形態の半導体発光素子の変形例を製造することができる。 Through the above steps, it is possible to produce a modified example of the semiconductor light-emitting device of the present embodiment as shown in FIG. 20 (c).

以上で説明した本実施の形態およびその変形例におけるフォトニック結晶は、凹部を平方格子または長方格子状に配列することにより構成されているが、図20(d)に示すように凹部を三角格子状に配列することにより構成するようにしてもよい。 Photonic crystals of the present embodiment and its modified examples described above, are constituted by arranging a recess in square lattice or Nagakata lattice shape, a triangular recess as shown in FIG. 20 (d) it may be configured by arranging in a grid pattern. この場合には3つのストライプ構造10A、10B、10Cが設けられることになり、各ストライプ構造10A、10B、10Cは60°の角度で交差することになる。 Three stripe structure 10A in this case, 10B, will be 10C are provided, each stripe structures 10A, 10B, 10C will intersect at an angle of 60 °. そのため、交差領域は六角形状となる。 Therefore, intersecting region becomes hexagonal. ところで、この場合、共振器方向が3つあるために3重縮退していることになる。 Incidentally, in this case, will have been triple degenerated to the resonator direction are three. そのため、フォトニックバンドギャップの構造が複雑となり、設計が困難であるという問題がある。 Therefore, the structure of the photonic band gap is complicated, there is a problem that the design is difficult. ただし、発光領域の大部分からの自然放出光を利用することができるため、高出力発光素子を実現できるという利点がある。 However, it is possible to utilize the spontaneous emission light from the majority of the light emitting region, there is an advantage that can realize high output light emitting device.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。 From the above description, those skilled in the art, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent. 従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。 Therefore, the foregoing explanation should be interpreted only as an example, and is provided for the purpose of teaching the best mode for carrying out the invention to those skilled in the art. 本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 Without departing from the spirit of the present invention can substantially change the details of the structure and / or function.

本発明に係る半導体発光素子は、光通信システムなどに用いられる半導体発光素子として有用である The semiconductor light emitting device according to the present invention is useful as a semiconductor light-emitting element used like an optical communication system.

従来のフォトニック結晶を用いた従来の半導体発光素子の構成を示す斜視図である。 It is a perspective view showing a structure of a conventional semiconductor light emitting device using a conventional photonic crystal. 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。 It is a plan view showing a configuration of a semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 図2のIII−III線矢視図である。 It is a III-III sectional view taken along line of FIG. 2. 図2のIV−IV線矢視図である。 It is a view taken along the line IV-IV of FIG 2. 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す断面図、(b)から(d)はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。 An explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting element, from (b) (d) thereof it is a plan view showing a configuration of a semiconductor light-emitting device. 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す断面図である。 The configuration of a modification of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention is a cross-sectional view illustrating. 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、(a)はフォトニック結晶が形成されていない領域における光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、(b)はフォトニック結晶構造における光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。 Is an explanatory view illustrating a light emitting state of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention, (a) is a diagram showing the relationship between the light of wave number and energy in the region is not formed photonic crystal and is a diagram showing the relationship between (b) the light in the photonic crystal structure wavenumber and energy. 本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。 It is a plan view showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す断面図、(b)から(d)はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。 An explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting element, from (b) (d) thereof it is a plan view showing a configuration of a semiconductor light-emitting device. 本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、(a)は共振器方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、(b)はその共振器方向と直交する方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。 Is an explanatory view illustrating a light emitting state of the semiconductor light-emitting device according to a second embodiment of the present invention, (a) is a diagram showing the relationship between the wave number and energy of the light of the photonic crystal structure in the resonator direction Yes, (b) is a diagram showing the relationship between the light of wave number and energy of the photonic crystal structure in the direction perpendicular to the cavity direction. 本発明の実施の形態3に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は(a)のA−A線矢視図である。 A diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the arrangement, (b) is an A-A sectional view taken along line diagram of (a). 本発明の実施の形態3に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は(a)のB−B線矢視図である。 A diagram showing a configuration of a modification of the semiconductor light-emitting device according to a third embodiment of the present invention, (a) is a plan view, (b) taken along line B-B view of (a) showing its configuration it is. 本発明の実施の形態4に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は(a)のC−C線矢視図である。 A diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the arrangement, (b) is a view taken along line C-C view of (a). 本発明の実施の形態4に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、(a)から(d)はその構成を示す平面図、(e)はその半導体発光素子のストライプ構造内部における光強度の変化を示す図である。 A diagram showing a configuration of a modification of the semiconductor light-emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, from (a) (d) is a plan view showing a configuration, (e) the stripe structure of the semiconductor light emitting element it is a diagram showing changes in light intensity inside. 本発明の実施の形態5に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、(a)はその構成を示す平面図、(b)は変形例の構成を示す断面図、(c)はその半導体発光素子のストライプ構造内部における光強度の変化を示す図である。 A diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention, (a) is a plan view showing the arrangement, (b) is a sectional view showing a configuration of a modification, (c) its it is a diagram showing changes in light intensity inside the stripe structure of the semiconductor light-emitting device. 本発明の実施の形態5に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、(c)は図15(a)のα方向(共振器方向)におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、(b)は同じくβ方向(共振器方向と直交する方向)におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。 Is an explanatory view illustrating a light emitting state of the semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, (c) Figure 15 alpha direction of the light of the photonic crystal structure in (resonator direction) of (a) is a diagram showing the relationship between the wave number and energy, (b) is a diagram showing the relationship between the wave number and energy of the light of the photonic crystal structure in the same β direction (a direction perpendicular to the resonator direction). 本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子について説明するための図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す平面図、(b)はその半導体発光素子の動作原理を示す図、(c)は電界の挙動を示す図である。 A diagram for explaining a semiconductor light-emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, showing the operating principle of the (a) is a plan view showing a structure of the semiconductor light emitting element, (b) its semiconductor light emitting element FIG, (c) is a diagram showing the behavior of the electric field. 本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、(a)はその変形例の構成を示す平面図、(b)は他の変形例の構成を示す平面図である。 A diagram showing a configuration of a modification of the semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, showing the (a) is a plan view showing the configuration of a modified example thereof, (b) the other variations Configuration it is a plan view. 本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその半導体発光素子の構成を示す断面図、(b)から(d)はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。 An explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting element, from (b) (d) thereof it is a plan view showing a configuration of a semiconductor light-emitting device. 本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の他の変形例の構成を示す平面図である。 The configuration of another modification of the semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention is a plan view showing. 本発明の実施の形態6に係る半導体発光素子の変形例の製造方法を説明するための説明図であって、(a)はその変形例の構成を示す断面図、(b)から(d)はその変形例の構成を示す平面図である。 An explanatory view for explaining a manufacturing method of a modification of the semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, (a) is a sectional view showing the configuration of the modified example, from (b) (d) is a plan view showing the configuration of a modified example thereof.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 n型InP基板 2 フォトニック結晶構造 3 n型InP下部クラッド層 4 活性層 5 p型InP上部クラッド層 6 上部電極 7 下部電極 9 凹部 10 ストライプ構造 11 絶縁体多層薄膜 12 反射用凹部 13 成長領域 15 反射用凹部 16 凹部 18 分離溝 19 凹部 21 反射用凹部 22 分離溝 1 n-type InP substrate 2 photonic crystal structure 3 n-type InP lower cladding layer 4 active layer 5 p-type InP upper cladding layer 6 upper electrode 7 lower electrode 9 recess 10 stripe structure 11 insulator multilayer thin film 12 reflecting recesses 13 growth area 15 reflective concave portion 16 concave portion 18 separating groove 19 recess 21 reflecting recesses 22 separating groove

Claims (20)

  1. 半導体基板と、 And the semiconductor substrate,
    前記半導体基板上に形成された、下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と 前記上部クラッド層に接続され、共振器方向に延びるストライプ状の上部電極と、 Wherein formed on a semiconductor substrate, a lower cladding layer, said active layer having a parallel direction of the resonator to the semiconductor substrate, and is connected semiconductor laminated body including an upper cladding layer and the upper cladding layer an upper electrode stripes extending in the resonator direction,
    前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、 And a lower electrode connected to the lower cladding layer,
    前記半導体積層体は、複数の凹部または凸部が共振器方向に周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有し、 The semiconductor laminate has a photonic crystal structure in which a plurality of recesses or protrusions is periodically arranged in the cavity direction,
    前記フォトニック結晶構造は、平面視において、少なくとも一部が前記上部電極と重ならず、しかも前記上部電極と共振器方向で並ぶように形成されており、 The photonic crystal structure, in plan view, at least a portion do not overlap with the upper electrode, yet being formed so as to be aligned with the upper electrode and the resonator direction,
    前記凹部または凸部の周期は、前記フォトニック結晶構造が有するフォトニックバンドギャップの高エネルギー端または低エネルギー端と、自然放出光のエネルギーとが一致するように設定され、 Period of the concave or convex portion, a high energy end or low-energy end of the photonic bandgap, wherein the photonic crystal structure has been set so that the energy of the spontaneous emission light are matched,
    前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加した場合に、前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域から光を放射する、半導体発光素子。 Wherein when a predetermined voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode, it emits light from a region which does not overlap with the upper electrode in a plan view of the photonic crystal structure, the semiconductor light emitting element.
  2. 前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層に形成されている請求項1に記載の半導体発光素子。 The concave or convex portion, the semiconductor light emitting device according to claim 1, which is formed on the upper cladding layer.
  3. 前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層、前記活性層、および前記下部クラッド層に亘って形成されている請求項1に記載の半導体発光素子。 The recesses or projections, the upper cladding layer, said active layer, and a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein are formed over the lower cladding layer.
  4. 前記凹部または凸部の形状が円柱状である請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 the shape of the recesses or protrusions are cylindrical.
  5. 前記凹部または凸部の形状が平板状である請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 the shape of the concave or convex portion is flat.
  6. 前記共振器の幅は2μm以上10μm以下である請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 the width of the resonator is 2μm or more 10μm or less.
  7. 前記共振器の長さは20μm以上50μm以下である請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 the length of the resonator is 20μm or more 50μm or less.
  8. 前記共振器方向は<110>方向または<−110>方向である請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 wherein the resonator direction is <110> direction or <-110> direction.
  9. 前記凹部または凸部は四角格子状に配列されており、前記凹部または凸部の一の配列方向が共振器方向と同一であり、他の配列方向が共振器方向と直交している請求項1に記載の半導体発光素子。 The recesses or projections are arranged in a square lattice shape, one arrangement direction of the concave portions or convex portions are the same as the resonator direction, claim 1, the other arrangement direction is perpendicular to the resonator direction the semiconductor light emitting device according to.
  10. 前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔とが異なる請求項9に記載の半導体発光素子。 The spacing between recesses or protrusions adjoining in the one arrangement direction, the semiconductor light-emitting device according to claim 9 in which the gap varies between recesses or protrusions adjoining in the other array direction.
  11. 前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔は、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と比べて大きい請求項10に記載の半導体発光素子。 Spacing between recesses or protrusions adjoining in the one arrangement direction, the semiconductor light emitting device according to claim 10 larger than the distance between concave portions or convex portions adjacent in the other array direction.
  12. 前記半導体積層体の両端面には反射膜が形成されている請求項1に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light-emitting device according to claim 1 which is formed a reflective film on both end faces of the semiconductor laminate.
  13. 前記半導体積層体の周囲には所定の間隔で配列された複数の凹部または凸部からなるフォトニック結晶構造が形成されている請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 in the periphery of the photonic crystal structure comprising a plurality of recesses or protrusions arranged at a predetermined interval is formed of the semiconductor stack.
  14. 前記凹部または凸部は前記半導体積層体の上面の全面に亘って形成されている請求項1に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light-emitting device of the concave or convex portion according to claim 1 which is formed over the entire upper surface of the semiconductor laminate.
  15. 前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域は、前記半導体積層体の中央部である請求項14に記載の半導体発光素子。 Region which does not overlap with the upper electrode in a plan view of the photonic crystal structure, the semiconductor light emitting device according to claim 14 wherein the central portion of the semiconductor stacked body.
  16. 共振器方向において隣り合う凹部または凸部のうちの一部の凹部または凸部間の間隔が、他の凹部または凸部間の間隔と比べて、波長/(実効屈折率×4)だけ大きい請求項1に記載の半導体発光素子。 Billing interval between some of recesses or protrusions of the recesses or protrusions adjacent in the cavity direction, compared with the spacing between other recesses or protrusions, by wavelength / (effective refractive index × 4) larger the device according to claim 1.
  17. 複数の前記半導体積層体を備え、 Comprising a plurality of the semiconductor stacked body,
    前記複数の前記半導体積層体は互いに交差するように配置されている請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1, wherein the plurality of the semiconductor laminated body is disposed so as to intersect with each other.
  18. 前記フォトニック結晶構造が有するフォトニックバンドギャップの高エネルギー端と、前記自然放出光のエネルギーとが一致している、請求項1に記載の半導体発光素子。 Wherein the high-energy end of the photonic band gap having photonic crystal structure, the energy of the spontaneous emission light are matched, the semiconductor light-emitting device according to claim 1.
  19. 前記フォトニック結晶構造が有するフォトニックバンドギャップの低エネルギー端と、前記自然放出光のエネルギーとが一致している、請求項1に記載の半導体発光素子。 Wherein the low-energy end of the photonic band gap having photonic crystal structure, the energy of the spontaneous emission light are matched, the semiconductor light-emitting device according to claim 1.
  20. 前記自然放出光と前記フォトニックバンドギャップとがカップリングすることにより、前記光が超射により前記基板に対して垂直な方向に放射される、請求項1に記載の半導体発光素子。 By the natural emission light and the photonic band gap coupling, the light is emitted in a direction perpendicular to the substrate by radiate ultrasonic, semiconductor light-emitting device according to claim 1.
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