JP4902682B2 - 窒化物半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体レーザ、特に２次元フォトニック結晶を利用した分布帰還型の面発光レーザに関するものである。

半導体レーザの１つである面発光レーザは、基板に対して垂直方向に光を出射することを特長とする。中でも、活性層の上下を、分布ブラッグ反射ミラーで挟んだ、垂直共振器型面発光レーザは、すでに赤外域の波長で実用化されている。しかしながら、紫外から緑色帯域に発振波長をもつ垂直共振器型面発光レーザは、材料となる窒化物半導体のもつ物性の観点から、分布ブラッグ反射ミラーを作製することが難しい。特に、その帯域において電流注入が可能な垂直共振器型面発光レーザを実現することは非常に困難である。そこで、最近では、２次元フォトニック結晶を利用した分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ；ＤＦＢ）型の面発光レーザが研究されている。以下、この２次元フォトニック結晶を利用した分布帰還型の面発光レーザを、ＤＦＢ型の面発光レーザと略記する。

ＤＦＢ型の面発光レーザ内に形成された２次元フォトニック結晶は、発振波長に対して２次の回折格子として機能する。これにより、２次回折として帰還効果（特にゲイン領域では増幅効果）を得ると同時に、１次回折によって、単一モードのレーザ光が、基板に対して垂直方向に出射されることを特長とする。

図７に、特許文献１に記載されているＤＦＢ型の面発光レーザ１１００の断面図を示す。

ｎ型基板１１０７の上には、ｎ型クラッド層１１０８が形成されており、その上に井戸層１１１２と障壁層１１１３を含む活性層１１０４が設けられている。また、活性層１１０４の上には、ｐ型伝導層１１１１が設けられている。ｐ型伝導層１１１１は、少数キャリアブロック層１１０９と、２次元フォトニック結晶層１１０１と、ｐ型クラッド層１１０２と、半導体層１１０３を有する。そして、ｐ型電極１１０５とｎ型電極１１１０が素子の上下に設けられている。

ここで、面発光レーザ１１００において、２次元フォトニック結晶層１１０１は、高屈折率媒質１００１と低屈折率媒質１００２により構成されている。高屈折率媒質１００１としては、ｐ型ＧａＮが用いられており、厚さは１００ｎｍに設定されている。

一方、ｐ型クラッド層１１０２の媒質としては、ｐ型ＡｌＧａＮが用いられており、厚さは５００ｎｍに設定されている。ここで、ｐ型クラッド層１１０２の厚さは、井戸層１１１２で発生した光を、ｐ型クラッド層１１０２内で減衰させ、ｐ側電極１１０５における光吸収損失が十分に小さくなる厚さに設定される。よって、ｐ型クラッド層１１０２は、光閉じ込めの観点からは、十分な厚さを有していることが望ましいといえる。

特開２００６−１６５２５５号公報（図２、段落００３４）

一般に、分離閉じ込め構造を有する窒化物半導体レーザは、特許文献１に記載されたように、ｐ側のクラッド層の材料としてｐ型ＡｌＧａＮが用いられる。

しかしながら、ｐ型伝導性の窒化物半導体は、ドーパントであるＭｇに起因した光吸収損失が大きいため、できるだけｐ型伝導層を薄くすることが望ましい。特に、ｐ型ＡｌＧａＮは、同じｐ型伝導性のｐ型ＧａＮと比較して電気抵抗が高いため、発振閾値を低下するためには、さらなる改善が必要となる。

発振閾値低減の改善策としては、ｐ型ＡｌＧａＮ層の膜厚を薄くする、または、そのＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成を低くしてｐ型ＡｌＧａＮの抵抗率を低くすることが考えられる。

しかしながら、ｐ型ＡｌＧａＮ層の膜厚を単に薄くした場合、クラッド層としての機能が不十分になる、すなわち、ｐ側電極への光染み出しを十分に減衰させるだけの距離が不足する。その結果、ｐ側電極における光吸収損失が大きくなりレーザとしての特性が悪化する。

一方、Ａｌ組成を低くして抵抗率を低くした場合、ＡｌＧａＮ層の屈折率は増加するため、ｐ側電極方向への光染み出しが大きくなる。その結果、同様に、ｐ側電極における光吸収損失が大きくなりレーザとしての特性が悪化する。

そこで、本発明は、抵抗率の高いｐ型ＡｌＧａＮをクラッド層として用いる必要がなく、かつ、ｐ型電極による光吸収損失を抑制した新規な窒化物半導体レーザの提供を目的とする。

本発明に係る面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶層を備えた窒化物半導体の面発光レーザであって、活性層と、前記２次元フォトニック結晶層と、半導体層と、電極とがこの順で設けられており、前記２次元フォトニック結晶層の高屈折率媒質はｐ型伝導性のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であり、前記半導体層はｐ型伝導性のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）であり、前記２次元フォトニック結晶層の厚さｔ_ＰｈＣは、発振波長λと、共振モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆによって記述される関係式ｔ_ＰｈＣ≧（λ／ｎ_ｅｆｆ）を満足することを特徴とする。

本発明によれば、抵抗率の高いｐ型ＡｌＧａＮをクラッド層として用いる必要がなく、かつ、ｐ型電極による光吸収損失を抑制した新規な窒化物半導体レーザを提供することができる。

本発明の実施形態における窒化物半導体を材料としたＤＦＢ型面発光レーザの構成例を説明する断面図である。 本発明の実施形態における図１に示した面発光レーザが有する２次元フォトニック結晶層の上面図である。 本発明の実施形態における２次元フォトニック結晶層の厚さｔ_ＰｈＣと内部損失の関係を説明する図である。 本発明の実施形態における半導体層の厚さｔ_ｓｅｍｉと内部損失の関係を説明する図である。 本発明の実施形態における半導体層の厚さｔ_ｓｅｍｉと内部損失および光結合係数κ_３の関係を説明する図である。 本発明の実施形態における端面発光型レーザの構成例を説明する断面図である。 特許文献１に開示されている窒化物半導体を材料としたＤＦＢ型面発光レーザの構造例を説明する断面図である。

（実施形態１）
図１に、本発明を適用した実施形態における窒化物半導体を材料としたＤＦＢ型面発光レーザの構成例を説明する断面図を示す。

本実施形態の面発光レーザ１００は、ｎ型基板１０７の上にｎ型クラッド層１０８が形成されており、その上に井戸層１１２と障壁層１１３を含む活性層１０４が設けられている。また、活性層１０４の上には、ｐ型伝導層１１１が設けられている。ｐ型伝導層１１１は、２次元フォトニック結晶層１０３と半導体層１０６を有する。そして、ｐ型電極１０５とｎ型電極１１０が素子の上下に設けられている。なお、ｐ型伝導層１１０は、少数キャリアブロック層１０９を有していてもよい。

図１の面発光レーザ１００において、ｎ側電極１１０より電子を、ｐ側電極１０５より正孔を注入すると、井戸層１１２において電子と正孔が再結合し、井戸層１１２のバンドギャップに相当するエネルギーをもつ光が発生する。

２次元フォトニック結晶層１０３と活性層１０４の間に設けた少数キャリアブロック層１０９は、注入した電子の一部が井戸層１１２における発光再結合を逃れ、２次元フォトニック結晶層１０３へ流入することを防ぐ機能を有する。少数キャリアブロック層１０９のバンドギャップは、障壁層１１３のバンドギャップよりも広くなるように設定する。

井戸層１１２において発生した光は、主にｎ型クラッド層１０８から２次元フォトニック結晶層１０３にかけて分布する。これは、ｎ型クラッド層１０８の屈折率と、２次元フォトニック結晶層１０３の平均屈折率が、活性層１０４の屈折率よりも低い媒質により形成されているからである（分離閉じ込め構造）。よって、面発光レーザ１００の断面方向の光強度分布は、活性層１０４近傍に極大値を有し、ｎ型クラッド層１０８および２次元フォトニック結晶層１０３にかけて徐々に減衰しながら分布する。そのうち、２次元フォトニック結晶層１０３に分布する光は、フォトニック結晶による基板面内方向の帰還効果（２次回折）を受けつつ、１次回折されることで、面垂直方向へ出射される。

（２次元フォトニック結晶層の基本的構成）
本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０３は、高屈折率媒質１０１と低屈折率媒質１０２が面内方向に周期的に配列されることにより構成され、面内方向に共振モードを有する。この面内方向の共振の強さ（回折の強さ）は、高屈折率媒質１０１と低屈折率媒質１０２の屈折率差が大きいほど、強くなる。よって、高屈折率媒質１０１はｐ型伝導性のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で形成され、低屈折率媒質１０２は、高屈折率媒質１０１よりも屈折率の低い媒質であり、例えば空気やＳｉＯ_２などが用いられる。

なお、井戸層１１２で発生した光が、高屈折率媒質１０１で吸収されないように、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のＩｎ組成を選択することが望ましい。例えば、高屈折率媒質１０１のバンドギャップが井戸層１１２のバンドギャップよりも５％以上大きくなるようにＩｎ組成を選択する。

図２に、図１に示した面発光レーザが有する２次元フォトニック結晶層１０３の上面図を示す。本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０３は、高屈折率媒質１０１に、円柱の低屈折率媒質１０２が正方格子状に配置されている。低屈折率媒質１０２の周期ａは、面発光レーザ１００の発振波長を決定する。すなわち、周期ａは、２次元フォトニック結晶層１０３が有する共振モードの真空中の波長λと、その共振モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆによって決定され、ａ＝λ／ｎ_ｅｆｆの関係式を満たす。例えば、図２の高屈折率媒質１０１がＧａＮで、低屈折率媒質１０２が空気で形成される場合、周期ａを１６０ｎｍとすることで、波長４００ｎｍ付近の光を垂直方向に回折させることが可能である。低屈折率媒質１０２が占める面積充填率ｆｆは、２次元フォトニック結晶の回折効果の大きさを決定する。例えば、図２に示した２次元フォトニック結晶層１０３の場合、面積充填率ｆｆは、（式１）で表される。
ｆｆ＝π×（ｄ／２）^２ （式１）
（式１）において、ｄは低屈折率媒質の直径である。２次回折を効果的に得るには、０．０５≦ｆｆ≦０．２、もしくは、０．４≦ｆｆ≦０．８を満たすように直径ｄを設定する。また１次回折を効果的に得るには、０．２≦ｆｆ≦０．４を満たすように直径ｄを形成する。また、それと同時に、面積充填率ｆｆは、２次元フォトニック結晶層の平均屈折率と相関関係があるため、面発光レーザ１００の断面方向の光強度分布を決定するパラメータでもある。

また、２次元フォトニック結晶層１０３は、複数種類の媒質からなる多層膜構造であってもよい。

なお、図２においては、２次元フォトニック結晶層１０３を形成する低屈折率媒質１０２は正方格子状に配置したが、三角格子状、単純長方格子状、面心長方格子状、斜方格子状に配置してもよい。この場合、発振させたい波長に応じてフォトニック結晶の周期ａ（基本並進ベクトルの長さ）を適切に選定する。また、低屈折率媒質１０２の形状は四角柱でも良い。

（２次元フォトニック結晶層の厚さ：下限値）
２次元フォトニック結晶層１０３の厚さｔ_ＰｈＣは、発振波長λと、共振モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆによって記述される関係式ｔ_ＰｈＣ≧（λ／ｎ_ｅｆｆ）を満足している。すなわち、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さｔ_ＰｈＣは、ｔ_ＰｈＣ≧（λ／ｎ_ｅｆｆ）である。

この式を満たす２次元フォトニック結晶層１０３の厚さは、上記特許文献１に記載された２次元フォトニック結晶層の厚さよりも厚い。さらに、２次元フォトニック結晶層１０３の平均屈折率は、活性層よりも低いため、２次元フォトニック結晶層自体がクラッド層としての役割を果たす。すなわち、井戸層１１２で発生した光は、平均屈折率が低く、かつ、厚さの厚い２次元フォトニック結晶層１０３の内で減衰する。そのため、ｐ側電極１０５に染み出す光の割合を低減させることができ、吸収損失を抑制させることができる。

この結果、従来クラッド層として用いていたｐ型ＡｌＧａＮ層を用いる必要がなくなるため、電気抵抗を低下することができる。

２次元フォトニック結晶層１０３の厚さの下限値は、ｐ側電極１０５における吸収損失を評価することにより決定される。以下、具体的に説明を行なうが、吸収損失に関しては、ｐ側電極１０５における吸収損失だけでなく、ｐ型伝導層１１１における吸収損失も考慮した内部損失の値を用いる。すなわち、内部損失は、ｐ側電極１０５における吸収損失と、ｐ型伝導層１１１における吸収損失の和で表される。

なお、ｐ型伝導層１１１における吸収損失は、ドーパントのＭｇ濃度に依存する。そこで、本実施形態と、後述する実施例および比較例においては、ｐ型伝導層１１１のＭｇ濃度は、約３×１０^１９ｃｍ^−１として、そのときのｐ型伝導層１１１の吸収係数が、波長４００ｎｍにおいて、６０ｃｍ^−１であるとして評価を行っている。

図３に、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さｔ_ＰｈＣと、内部損失の関係を示す。なお、ｔ_ＰｈＣの値は、発振波長λと、共振モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆによって規格化した値を用いている。これにより、屈折率の分散の影響を考慮した結果を得ることが可能となる。

図３において、発振波長λが４００ｎｍの結果は、後述した実施例１の構造において、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さを変化させたときの結果である。同様に、発振波長λが４５０ｎｍの結果は、実施例３の構造における結果である。

図３の結果は、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さｔ_ＰｈＣがλ／ｎ_ｅｆｆ（素子内部で１波長分）以上になると、内部損失が、ほぼ収束することを示している。一方で、ｔ_ＰｈＣを過度に薄くした場合、井戸層１１２で発生した光を、２次元フォトニック結晶層１０３内で十分に減衰させることができず、ｐ側電極１０５での吸収損失が大きくなるため、内部損失も増加する。

また、端面発光型の窒化物半導体レーザでは、内部損失は３０ｃｍ^−１以下であるということを考慮しても、本発明における２次元フォトニック結晶層１０３の厚さの下限値は、ｔ_ＰｈＣ≧（λ／ｎ_ｅｆｆ）であることが好ましい。

なお、特許文献１の面発光レーザ１１００の２次元フォトニック結晶層１１０１の厚さは、λ／ｎ_ｅｆｆよりも薄い。

（２次元フォトニック結晶層の厚さ：上限値）
２次元フォトニック結晶層の厚さは、ｔ_ＰｈＣ≦３．５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）であることが望ましい。この上限は、図１の面発光レーザ１００と、図７の面発光レーザ１１００との、電気抵抗の比較、および、低屈折率媒質１０２の形成難度、の２つの観点から決定できる。以下、それら２つについて、個別に説明する。

本実施形態の面発光レーザ１００は、特許文献１に記載の面発光レーザ１１００における２次元フォトニック結晶層１１０１と、ｐ型クラッド層１１０２と、半導体層１１０３とを、２次元フォトニック結晶層１０３と半導体層１０６に置換したものである。

本実施形態に係る面発光レーザ１００の２次元フォトニック結晶層１０３から半導体層１０６までの単位面積当たりの電気抵抗Ｒ_１００は、次の（式２）で表される。
Ｒ_１００＝ρ_１０１×（ｔ_１０３／（１−ｆｆ））＋ρ_１０６×ｔ_１０６ （式２）
（式２）において、ρ_１０１は２次元フォトニック結晶層１０３を構成する高屈折率媒質１０１の抵抗率、ｔ_１０３は２次元フォトニック結晶層１０３の厚さを表す。また、ｆｆは２次元フォトニック結晶層１０３における低屈折率媒質１０２の面積充填率、ρ_１０６は半導体層１０６の抵抗率、ｔ_１０６は半導体層の厚さを表す。なお、（式２）は、低屈折率媒質１０２が絶縁物質とした場合である。低屈折率媒質１０２が、電気伝導性のある媒質の場合は、（式２）に低屈折率媒質１０２の部分抵抗の項を追加すればよい。

一方で、特許文献１に記載の面発光レーザ１１００の２次元フォトニック結晶層１１０１から半導体層１１０３までの単位面積当たりの電気抵抗Ｒ_１１００は、次の（式３）で表される。
Ｒ_１１００＝ρ_１０１×（ｔ_１１０１／（１−ｆｆ））＋ρ_１１０２×ｔ_１１０２＋ρ_１１０３×ｔ_１１０３ （式３）
（式３）において、ｔ_１１０１は２次元フォトニック結晶層１１０１の厚さ、ρ_１１０２はｐ型クラッド層１１０２の抵抗率を表す。また、ｔ_１１０２はｐ型クラッド層の厚さ、ρ_１１０３は半導体層１１０３の抵抗率、ｔ_１１０３は半導体層の厚さを表す。

後述する実施例１の構造について、各パラメータを（式２）に代入し、さらに、同様に、比較例１の構造パラメータを（式３）に代入して、Ｒ_１００＝Ｒ_１１００となるｔ_１０３を求めると、ｔ_１０３≒３．６５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）となる。ρ_１１０２は、ｐ型ＡｌＧａＮの抵抗率であり、その値は、Ａｌ組成に依存するが、ここでは、ｐ型ＧａＮの抵抗率の２倍の値を用いた。

Ｒ_１００＝Ｒ_１１００となるｔ_１０３は、面発光レーザ１００と面発光レーザ１１００のウエハ構造（各層の膜厚と材料組成）に依存するが、光学特性から決定されるレーザ構造を考慮すると、実施例１の構造と大きくは変わらない。

次に、低屈折率媒質１０２の形成難度の観点から説明する。ｔ_ＰｈＣが厚いことは、低屈折率媒質１０２の断面形状のアスペクト比が大きいことを意味する。例えば、高屈折率媒質１０１がＧａＮで、低屈折率媒質１０２が空気円柱（直径ｄ＝５６ｎｍ＝０．３５×（λ／ｎ_ｅｆｆ））からなる２次元フォトニック結晶の場合、その空気円柱（微細空孔）をドライエッチングにより形成することは高度な作製技術といえる。特に、その微細空孔を垂直性良く、ドライエッチングすることは、さらに高度な技術を要する。上述したｔ_ＰｈＣ＝３．６５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）は、約５８０ｎｍに相当し、直径ｄ＝５６ｎｍ０．３５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）では、アスペクト比は１０を超える。窒化物半導体において、このような微細構造を形成するには、高度な作製技術を要し、アスペクト比が１０を超えるような構造は作製が難しい。

よって、本発明において、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さは、上述した作製上の難易度も考慮して、ｔ_ＰｈＣ≦３．５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）であることが望ましい。

（半導体層の材料および厚さ）
本実施形態における半導体層１０６は、ｐ型電極１０５を形成するための平坦化層としての役割を果たす。また、ｐ型電極１０５への光染み出し割合の調整層としても機能する。

窒化物半導体レーザの場合、半導体層１０６は、ｐ側電極１０５との接触抵抗を考慮して、例えばｐ型伝導性のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）で形成される。なお、井戸層１１２で発生した光が、半導体層１０６で吸収されないように、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のＩｎ組成を選択することが望ましい。例えば、半導体層１０６のバンドギャップが井戸層１１２のバンドギャップよりも５％以上大きくなるようにＩｎ組成を選択する。

光染み出し割合の調整層としての半導体層１０６の厚さｔ_ｓｅｍｉは、０．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）≦ｔ_ｓｅｍｉ≦１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）の関係式を満たすことが望ましい。以下、この厚さの範囲について説明する。

図４に、半導体層１０６の厚さｔ_ｓｅｍｉと内部損失（ｐ側電極１０５における吸収とｐ型伝導層１１１における吸収の和）の関係を示す。

図４（ａ）は、発振波長λが４００ｎｍのときの結果であり、後述する実施例１の構造において、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さが、１．０×（λ／ｎ_ｅｆｆ）のときと、１．５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）のときの２通りの結果を１つのグラフに示している。

図４（ｂ）には、発振波長λが４５０ｎｍのときの結果を示しており、後述する実施例３の構造において、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さが、１．０×（λ／ｎ_ｅｆｆ）のときと、１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）のときの２通りの結果を１つのグラフに示している。

図４（ａ）と図４（ｂ）より、内部損失を低減するという観点からは、半導体層１０６の厚さｔ_ｓｅｍｉに最適な範囲があることが読み取れる。以下、この現象について定性的に説明する。

半導体層１０６の厚さが薄すぎると、井戸層１１２とｐ側電極１０５の距離が、過度に短くなる。すなわち、ｐ側電極１０５への光染み出し割合が大きくなり、吸収損失が増加する。そこで半導体層１０６の厚さを適度な厚さにすると、井戸層１１２とｐ側電極１０５の距離を離すことができ、ｐ側電極１０５における吸収損失を抑制することができる。

しかしながら一方で、半導体層１０６の厚さを厚くしすぎると、ｐ側電極１０５側の平均屈折率が上昇する。そのため、かえってｐ側電極１０５への光染み出し割合が大きくなり、吸収損失も増加する。さらには、ｐ型伝導層１１１の厚さが厚くなることで、そのｐ型伝導層１１１における吸収も増加する。

したがって、半導体層１０６には、適切な厚さの範囲が存在する。具体的には、０．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）≦ｔ_ｓｅｍｉ≦１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）の関係式を満たすことが好ましい。

また、図４（ａ）と図４（ｂ）の結果は、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さｔ_ＰｈＣを変化させたとしても、それぞれのｔ_ＰｈＣの値において、内部損失が最小値をとる半導体層の厚さｔ_ｓｅｍｉは、０．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）≦ｔ_ｓｅｍｉ≦１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に収まることも示している。

図５は、図４（ａ）に示した発振波長が４００ｎｍで、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さがλ／ｎ_ｅｆｆのときの結果に、フォトニック結晶の光結合係数κ_３の値を合わせてプロットしたグラフである。

ここで、光結合係数κ_３とは、２次元フォトニック結晶層１０３面内での２次回折（帰還効果）の大きさを表す係数である。この光結合係数κ_３は、端面発光型レーザのミラー反射率と同じような扱いができる。よって、最適なレーザ素子を実現するには、内部損失の大きさによって、適切な光結合係数κ_３に調整する必要がある。

図５において、内部損失は、上述したように、０．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）≦ｔ_ｓｅｍｉ≦１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）の範囲内で小さな値をとっている。一方で、光結合係数κ_３は、半導体層１０６の厚さｔ_ｓｅｍｉが大きくなるとともに、単調に増加している。すなわち、半導体層の厚さｔ_ｓｅｍｉが、０．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）≦ｔ_ｓｅｍｉ≦１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）の範囲内であれば、内部損失は抑えつつ、光結合係数κ_３だけを適切な値に調整できる。これは、レーザ特性の最適化に非常に有効である。

（活性層）
活性層１０４は、井戸層１１２と障壁層１１３で形成されたダブルへテロ構造である。なお、図１に示した面発光レーザ１００では、活性層１０４は、１つの井戸層１１２からなる単一量子井戸構造であるが、複数の井戸層１１２と障壁層１１３からなる多重量子井戸構造であってもよい。

さらに、活性層１０４を形成する媒質は、Ｇａ、Ｎ、Ｉｎ、Ａｌのいずれかを含む窒化物半導体である。例えば、波長４００ｎｍ付近を中心に発光帯域をもつ井戸層１１２は、ＩｎＧａＮで形成され、そのＩｎ組成は、７〜１０％とする。このとき、障壁層１１３はＧａＮもしくはＩｎＧａＮで形成され、そのＩｎ組成は、０％〜３％とする。また、波長４５０ｎｍ付近を中心に発光帯域を有する井戸層１１２は、ＩｎＧａＮで形成され、そのＩｎ組成は、１５〜２５％とする。このとき、障壁層１１３はＧａＮもしくはＩｎＧａＮで形成され、そのＩｎ組成は、０％〜１０％とする。

ここで、活性層１０４と２次元フォトニック結晶層１０３の距離ｄ_ｇを小さくすると、ｐ型伝導層１１１に分布する光の割合が多くなり、吸収損失が生じる。よって、活性層１０４と少数キャリアブロック層１０９の間には、真性半導体からなるガイド層を設け、活性層１０４と２次元フォトニック結晶層１０３の距離を大きくすることが望ましい。

しかしながら一方で、ｄ_ｇを大きくすると、ｐ型伝導層１１１による吸収損失は小さくなるものの、２次元フォトニック結晶層１０３に分布する光の割合が減少するため、光結合係数κ_３が減少する。

よって、吸収損失を抑えつつ、光結合係数κ_３の値を大きくできるのは、活性層と２次元フォトニック結晶層の距離ｄ_ｇをある程度の範囲に設定することが望ましい。

例えば、ｄ_ｇは、０．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）≦ｄ_ｇ≦１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）の関係式を満たすことが望ましい。

また、活性層１０４と少数キャリアブロック層１０９の間に挿入するガイド層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮのいずれかで形成される。また、上記ガイド層が、ＩｎＧａＮで形成される場合、井戸層１１２で発生した光がガイド層で吸収しないよう、ガイド層のＩｎ組成を選択することが望ましい。例えば、ガイド層のバンドギャップが井戸層１１２のバンドギャップよりも５％以上大きくなるように選択する。

（ｎ型クラッド層）
本発明の効果が発揮されるのは、井戸層１１２で発生した光が、ｐ側伝導層１１１側へ多く染み出すときである。このため、ｎ型クラッド層１０８の屈折率は、窒化物半導体で構成される一般的な端面発光レーザのｎ型クラッド層の屈折率と同等、もしくはそれよりも低くすることが望ましい。例えば、発振波長が４００ｎｍの面発光レーザ１００の場合、ｎ型クラッド層１０８はＡｌＧａＮで形成され、そのＡｌ組成は、５〜１３％であることが望ましい。また、例えば、発振波長が４５０ｎｍの場合、ｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成は、０〜８％であることが望ましい。

（電極）
ｎ側電極１１０とｐ側電極１０５は、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆのいずれかを含む合金で形成される。また、ｎ側電極１１０もしくはｐ側電極１０５が透明電極である場合には、これらは次のいずれかの材料により形成される。すなわち、これらは酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ；ＩＺＯ）、酸化亜鉛（Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ；ＺｎＯ）のいずれかの材料で形成される。

（他の実施形態：端面発光レーザ）
上記実施形態で説明した半導体レーザの特徴は、電気抵抗の高いｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１１０２を用いずに、平均屈折率の低い２次元フォトニック結晶層１０３を、ｐ側のクラッド層として用いることである。よって、この考え方は、ＤＦＢ型の面発光レーザだけでなく、１次元の端面発光型レーザにも応用できる。

図６は、本発明に基づく窒化物半導体からなる端面発光レーザ６００の構成例を説明する断面図である。図６（ａ）は、端面に対して平行な面における断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＡ−Ａ’断面の図である。端面発光レーザ６００には、少数キャリアブロック層１０９と半導体層１０６の間に、複数の低屈折率媒質１０２が埋め込まれた低屈折率媒質埋め込み層６０１が設けられている。この低屈折率媒質埋め込み層６０１は、ｐ型伝導性のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で形成される。

低屈折率媒質埋め込み層６０１は、以下の３つの機能を果たす。

１つ目の機能は、基板に対して垂直方向の光閉じ込めであり、ｎ型クラッド層１０８と低屈折率媒質埋め込み層６０１により、井戸層１１２で発生した光を閉じ込めている。

２つ目の機能は、横方向の光閉じ込めであり、図６（ａ）に示した端面発光レーザ６００では、半導体層１０６と第一低屈折率媒質埋め込み層６０２により、横モードを制御している。ここで、第一低屈折率媒質埋め込み層６０２と第２低屈折率媒質埋め込み層６０３の材料組成は、異なるものであっても良い。

３つ目の機能は、正孔の注入領域制御、すなわち、電流狭窄である。図６の端面発光レーザ６００は、ｐ側電極１０５から注入された正孔は、低屈折率媒質埋め込み層６０１を通って、活性層へ流れ込む。その際、正孔は、低屈折率媒質１０２により挟まれた、ｐ側電極１０５の直下に位置する領域を、集中的に流れる。また、共振モードの光分布は、活性層を中心に２つの低屈折率媒質１０２により挟まれた領域、すなわちｐ側電極１０５の直下に分布する。よって、共振モードの光分布と、電流注入領域を一致させることができ、効率良く増幅される。また、同時に、高抵抗なｐ型ＡｌＧａＮを用いておらず、電気抵抗が低減できるという特徴を有する。

［実施例１：発振波長４００ｎｍ］
（実施例１）
表１は、実施例１における面発光レーザのウエハ構造を説明するものである。

ｎ型基板１０７としてｎ型ＧａＮ基板を用い、以下に示す窒化物半導体層を有機金属気層成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって順に積層した。

まず、バッファ層７０１として厚さ１μｍのｎ型ＧａＮの上に、ｎ型クラッド層１０８として厚さ６００ｎｍのｎ型Ａｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎを積層した。

その上に、ガイド層７０２として、厚さ５０ｎｍのｎ型ＧａＮ、つづいて、同様にガイド層７０２として厚さ３０ｎｍのアンドープＧａＮを積層した。

これらガイド層７０２は、後述するガイド層７０３とともに、活性層１０４付近の平均的な屈折率を上昇させるため、窒化物半導体のように屈折率差を大きくとることができないような媒質においても、積層方向の光閉じ込めが有効となり、容易に共振モードを形成することができる。

つづいて、ガイド層７０２の上に、活性層１０４を積層した。活性層１０４は、井戸層１１２として厚さ２．５ｎｍのＩｎ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ、障壁層１１３として厚さ７．５ｎｍのＧａＮが、３周期積層された量子井戸構造を備える。この活性層１０４は、波長４００ｎｍ付近を中心とした光を発生させる。

さらに、活性層１０４上に、厚さ８０ｎｍアンドープＧａＮからなるガイド層７０３を積層した。このガイド層７０３の位置は、活性層の近傍であり、光分布割合が大きい。よって、このガイド層７０３をｐ型伝導性の媒質で形成すると、ドーパントであるＭｇに起因する吸収損失が無視し得ない値となる。よって、ガイド層７０３は、真性半導体で形成することが望ましく、本実施例においてはアンドープＧａＮとしている。

次に、少数キャリアブロック層１０９として厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎを積層し、更に、ｐ型ＧａＮを２６０ｎｍ積層した。この状態で、一旦、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長を止め、２次元フォトニック結晶層１０３の形成へ移る。

２次元フォトニック結晶パターンは、半導体リソグラフィとドライエッチング技術により形成した。本実施例１においては、２次元フォトニック結晶の高屈折率媒質１０１はｐ型ＧａＮであり、低屈折率媒質１０２は空気である。よって、ドライエッチングにより形成する孔が低屈折率媒質１０２となり、その孔の深さが、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さとなる。本実施例１では、ドライエッチングにより２４０ｎｍの孔を形成した。すなわち、少数キャリアブロック層１０９上に、２０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるガイド層７０４、さらにその上に、ｐ型ＧａＮと空気からなる厚さ２４０ｎｍの２次元フォトニック結晶層１０３を形成したことになる。

なお、本実施例１において、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さ２４０ｎｍは、おおよそ１．５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。また、活性層から２次元フォトニック結晶層１０３までの距離は、約０．７５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。また、低屈折率媒質１０２は、円柱状の空気孔からなり、正方格子状に配列されている。その円柱状の空気孔の周期は１６０ｎｍ、円柱の直径は５６ｎｍである。このような形態をとる２次元フォトニック結晶層１０３は、波長４００ｎｍ付近に共振モードを形成する。

次に、２次元フォトニック結晶層１０３を、ＭＯＣＶＤ法により、２次元フォトニック結晶の空気孔を残しながら埋め込み再成長を行い、厚さ８０ｎｍのｐ型ＧａＮからなる半導体層１０６を積層する。２次元フォトニック結晶層１０３の空気孔の直径は、５６ｎｍであるため、厚さ８０ｎｍのｐ型ＧａＮであれば、十分に孔を塞ぐことができる。なお、厚さ８０ｎｍの半導体層は、本実施例においては、約０．５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。

ｎ型ＧａＮ基板と、半導体層１０６のｐ型ＧａＮには、キャリアが注入できる電極を形成する。ｎ側電極１１０は、ＴｉとＡｌで形成し、ｐ側電極１０５は、ＡｕとＮｉで形成する。

（比較例１）
表２は、比較例１における面発光レーザのウエハ構造を説明するものである。比較例１は実施例１と比較するための面発光レーザであり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を有し、発振波長４００ｎｍである。

表１に示した実施例１のウエハ構造と異なるのは、以下の２点である。

１つ目の差異は、２次元フォトニック結晶層１１０１の厚さである。すなわち、実施例１では膜厚を２４０ｎｍと設定しているのに対して、比較例１では８０ｎｍに設定している点において異なる。この８０ｎｍという厚さは、おおよそ０．５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。

２つ目の差異は、２次元フォトニック結晶層１１０１と、厚さ８０ｎｍのｐ型ＧａＮからなる半導体層１１０３の間に、厚さ２８０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎからなるｐ型クラッド層１１０２を設けていることである。すなわち、実施例１ではｐ型ＡｌＧａＮが設けられていないのに対して、比較例１ではｐ型ＡｌＧａＮが設けられている点において異なる。

表３は、実施例１と後述する比較例１の面発光レーザに関して、内部損失（ｐ側電極１０５における吸収とｐ型伝導層１１１における吸収の和）と、電気抵抗の比、光結合係数κ_３、井戸層１１２の光閉じ込め係数を比較したものである。ここで、電気抵抗の比とは、比較例１の２次元フォトニック結晶層１１０１から半導体層１１０３までの単位面積当たりの電気抵抗を１とし、実施例１の２次元フォトニック結晶層１０３から半導体層１０６までの単位面積当たりの電気抵抗が、どの程度の値になるかを比較したものである。

内部損失は、実施例１と比較例１で、大きな差異はない。しかし、実施例１の電気抵抗は、比較例１の約半分に減少している。これは、ｐ型ＡｌＧａＮにより向上していた電気抵抗を抑制することが可能になったものであると推測できる。このように、電気抵抗を減少させれば発熱量を抑制できるため発振閾値を低下させることができる。

また、実施例１は、井戸層の光閉じ込め係数が比較例１と同程度でありながら、光結合係数κ_３が１割ほど増加している。ここで、光結合係数κ_３は、２次元フォトニック結晶層１０３へ閉じ込められる光分布割合に比例し、ｐ側電極１０５における吸収損失と、トレードオフの関係にある。

よって、表１に示した実施例１の構造を調整し、実施例１と比較例１の光結合係数κ_３を同程度の値に設計すると、実施例１の内部損失の方が、比較例１のそれよりも小さくできる。つまり、表１に示した実施例１の面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層１０３の共振器としての特性は変化させずに、内部損失が抑制でき、さらには、電気抵抗を低減することができる。

［実施例２：発振波長４５０ｎｍ］
（実施例２）
表４は、本発明を適用した実施例２における面発光レーザのウエハ構造を説明するものである。

本実施例２の面発光レーザは、発振波長の中心帯域が４５０ｎｍ付近である。よって、活性層１０４を形成する井戸層１１２の媒質は、Ｉｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎとし、障壁層はＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎとした。井戸層１１２の媒質であるＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎに関して、良好な結晶品質を実現するためには、クラッド層やガイド層を形成する媒質と、上記Ｉｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎとの格子定数差を小さくすることが好ましい。しかしながら、活性層とクラッド層に屈折率差を生じさせ、共振モードが形成されるよう媒質を選定すると、それらの格子定数差が自ずと大きくならざるを得ない。特に、波長４５０ｎｍにおける窒化物半導体は、各媒質の屈折率差を大きくすることが難しい。よって、これらのことを総合的に留意し、各層の媒質を決定する必要がある。

そこで、実施例２においては、ｎ型クラッド層１０８に用いるｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成を６％とし、厚さは１μｍとする。その上に積層するガイド層７０２には、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを用い、厚さは６０ｎｍとした。この形態にすることで、共振モードを形成させつつ、井戸層１１２における内部ひずみを低減させることができ、良好な結晶品質が得られる。

活性層１０４上には、ガイド層７０３として厚さ１００ｎｍのアンドープのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを成長させ、更にその上には、少数キャリアブロック層１０９として、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎを積層する。

次に、２次元フォトニック結晶層１０３を形成するためのｐ型Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを２５０ｎｍ成長させる。ここで、実施例１と同様に、半導体リソグラフィとドライエッチングにより、深さ２３０ｎｍの空気孔を形成する。これにより、少数キャリアブロック層１０９の上に、ｐ型Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎで形成される厚さ２０ｎｍのガイド層７０４、さらに、ｐ型Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎと空気で構成される厚さ２３０ｎｍの２次元フォトニック結晶層１０３が形成できる。なお、本実施例２において、２次元フォトニック結晶層１０３の厚さ２３０ｎｍは、おおよそ１．２５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。また、活性層から２次元フォトニック結晶層１０３までの距離は、約０．７６×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。また、低屈折率媒質１０２は、円柱状の空気孔で形成され、正方格子状に配列されている。なお、円柱状の空気孔の周期は１８４ｎｍ、円柱の直径は６４ｎｍである。このような形態をとる２次元フォトニック結晶層１０３は、波長４５０ｎｍ付近に共振モードを形成する。

２次元フォトニック結晶層１０３上には、半導体層１０６として、厚さ３２ｎｍのｐ型Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを成長させる。この厚さ３２ｎｍは、約０．１７×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。

キャリア注入が可能な電極は、実施例１と同様に、ｎ側電極１１０は、ＴｉとＡｌで形成し、ｐ側電極１０５は、ＡｕとＮｉで形成する。

（比較例２）
表５は、比較例２における面発光レーザのウエハ構造を説明するものである。比較例２は実施例２と比較するための面発光レーザであり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を有し、発振波長は４５０ｎｍである。

表４に示した実施例２のウエハ構造と異なるのは、以下の２点である。

１つ目の差異は、２次元フォトニック結晶層１１０１の厚さである。すなわち、実施例２では膜厚を２３０ｎｍと設定しているのに対して、比較例２では６４ｎｍに設定している点において異なる。この６４ｎｍという厚さは、おおよそ０．３５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。

２つ目の差異は、２次元フォトニック結晶層１１０１と、厚さ８０ｎｍのｐ型ＧａＮからなる半導体層１１０３の間に、厚さ４６０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎからなるｐ型クラッド層１１０２を設けていることである。すなわち、実施例２ではｐ型ＡｌＧａＮが設けられていないのに対して、比較例２ではｐ型ＡｌＧａＮが設けられている点において異なる。

表６は、実施例２と比較例２の面発光レーザに関して、内部損失と、電気抵抗の比、光結合係数κ_３、井戸層１１２の光閉じ込め係数を比較したものである。ここで、電気抵抗の比とは、上述した実施例１のときと同様に、２次元フォトニック結晶層から半導体層までの単位面積当たりの電気抵抗を比率で比較したものである。

内部損失、光結合係数κ_３、井戸層１１２の光閉じ込め係数は、実施例２と比較例２で大きな差はないが、電気抵抗が約６割減となっている。そのため、発熱量を抑えつつ、発振閾値を低下させることが可能となる。すなわち、本発明を適用した実施例２の面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層１０３の共振器としての特性は変化させずに、内部損失を抑制しつつ、電気抵抗を低減することができる。

［実施例３］
実施例３は、半導体層１０６の厚さｔ_ｓｅｍｉの効果を説明するための面発光レーザである。実施例３の面発光レーザの構造は、表４に示した実施例２のウエハ構造と比較して、半導体層１０６の厚さを１３８ｎｍとしている点のみが異なり、その他の層構造は実施例２と同じである。すなわち、実施例２の半導体層１０６の厚さは３２ｎｍであり、この厚さは約０．１７×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当するのに対して、実施例３の半導体層１０６の厚さは、約０．７５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）に相当する。

実施例３においては、内部損失が９．６ｃｍ^−１へ減少しつつ、光結合係数は４０９ｃｍ^−１へ増加する。電気抵抗の比は、比較例２と比べて約半分に減少する。一般的に、ｐ型伝導層１１１内に２次元フォトニック結晶が設けられている場合、光結合係数κ_３を増加させようとすると、ｐ型電極１０５における吸収損失が大きくなり、その結果、内部損失も上昇する。しかしながら、実施例３の面発光レーザでは、内部損失を低減させつつ、光結合係数κ_３を増加させ、さらに電気抵抗の増加も抑制できる。

１００ 面発光レーザ
１０１ 高屈折率媒質
１０２ 低屈折率媒質
１０３ ２次元フォトニック結晶層
１０４ 活性層
１０５ ｐ側電極
１０６ 半導体層

Claims (4)

1. 面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶層を備えた窒化物半導体のＤＦＢ型の面発光レーザであって、
   活性層と、前記２次元フォトニック結晶層と、半導体層と、電極とがこの順で設けられており、
   前記２次元フォトニック結晶層の高屈折率媒質はｐ型伝導性のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であり、
   前記半導体層はｐ型伝導性のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）であり、
   前記２次元フォトニック結晶層の厚さｔ_ＰｈＣは、発振波長λと、共振モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆによって記述される関係式ｔ_ＰｈＣ≧（λ／ｎ_ｅｆｆ）を満足し、
   前記半導体層の厚さｔ _ｓｅｍｉ が、０．２５×（λ／ｎ _ｅｆｆ ）≦ｔ _ｓｅｍｉ ≦１．２５×（λ／ｎ _ｅｆｆ ）の関係式を満足することを特徴とするＤＦＢ型の面発光レーザ。
2. 前記２次元フォトニック結晶層の厚さｔ_ＰｈＣが、ｔ_ＰｈＣ≦３．５×（λ／ｎ_ｅｆｆ）の関係式を満足する請求項１に記載のＤＦＢ型の面発光レーザ。
3. 前記２次元フォトニック結晶層と前記半導体層との間にｐ型伝導性のＡｌＧａＮが設けられていないことを特徴とする請求項１または２に記載のＤＦＢ型の面発光レーザ。
4. 前記２次元フォトニック結晶層と前記半導体層とが接触していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＤＦＢ型の面発光レーザ。