JP5047258B2 - 二次元フォトニック結晶面発光レーザ - Google Patents
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Description
本発明は、二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。
面発光レーザにおいて、反射鏡に二次元フォトニック結晶を利用し、二次元フォトニック結晶自身をレーザ共振器として構成し、水平方向（面内方向）にレーザ増幅を生じさせ、結晶面に対して垂直方向に光を取り出す面発光レーザが知られている。
特に、近紫外から緑領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に用いられる分布ブラッグ反射鏡の作製が困難なことから、二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが盛んに研究されている。
このような二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、特許文献１では、光の利用効率を向上させるため、該二次元フォトニック結晶の結晶面と水平方向の周囲に、結晶面に対して垂直方向に光反射領域を設けた面発光レーザが開示されている。
この構成に従えば、前記二次元フォトニック結晶から水平方向（面内方向）の外側に漏れようとする光の一部は、前記光反射領域によって内部に反射され、これにより光の利用効率の向上が期待される。
特に、近紫外から緑領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に用いられる分布ブラッグ反射鏡の作製が困難なことから、二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが盛んに研究されている。
このような二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、特許文献１では、光の利用効率を向上させるため、該二次元フォトニック結晶の結晶面と水平方向の周囲に、結晶面に対して垂直方向に光反射領域を設けた面発光レーザが開示されている。
この構成に従えば、前記二次元フォトニック結晶から水平方向（面内方向）の外側に漏れようとする光の一部は、前記光反射領域によって内部に反射され、これにより光の利用効率の向上が期待される。
上記したように、光反射領域が設けられた特許文献１の二次元フォトニック結晶面発光レーザでは、二次元フォトニック結晶から面内方向の外側に漏れようとする光の一部を、該光反射領域によって内部に反射させ、光の利用効率を向上させている。
一方、上記のような二次元フォトニック結晶面発光レーザをレーザ発振させるには、前記二次元フォトニック結晶と重なる領域の、前記レーザ表面の一部に電極を設けて、そこから活性層にキャリアを注入する必要がある。
その際、上記のレーザ表面の一部に設けられた電極は、透過率が低く、レーザ光を吸収してしまうことから、該二次元フォトニック結晶内で共振した該レーザ光は、該電極の周辺から外に取り出されることになる。
一方、上記のような二次元フォトニック結晶面発光レーザをレーザ発振させるには、前記二次元フォトニック結晶と重なる領域の、前記レーザ表面の一部に電極を設けて、そこから活性層にキャリアを注入する必要がある。
その際、上記のレーザ表面の一部に設けられた電極は、透過率が低く、レーザ光を吸収してしまうことから、該二次元フォトニック結晶内で共振した該レーザ光は、該電極の周辺から外に取り出されることになる。
ところで、ｐ型導電層はｎ型導電層と比較して高抵抗であり、特に窒化物半導体では、ｐ型電極直下のｐ型導電層付近以外には電流が拡がり難い。
すなわち、電極をフォトニック結晶の中央部に配置した場合、該ｐ型電極直下付近の中央部の活性層領域のみが発光領域となる。
一方、それ以外の周辺部の活性層領域は、キャリアが注入されず発光には寄与しないばかりか、吸収層として働き、損失が大きくなるという課題があった。
すなわち、電極をフォトニック結晶の中央部に配置した場合、該ｐ型電極直下付近の中央部の活性層領域のみが発光領域となる。
一方、それ以外の周辺部の活性層領域は、キャリアが注入されず発光には寄与しないばかりか、吸収層として働き、損失が大きくなるという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑み、二次元フォトニック結晶の面内方向の外側に漏れる光のロスと、発光に寄与せず吸収層として働いてしまうことによる活性層での吸収ロスと、を抑制し、
光の利用効率を向上させることが可能となる二次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的としている。
光の利用効率を向上させることが可能となる二次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的としている。
本発明の二次元フォトニック結晶面発光レーザは、
基板上に、該基板の面に対して垂直方向に、活性層と、フォトニック結晶の構造を有するフォトニック結晶層とが積層された積層構造を備え、
該フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該フォトニック結晶の面に対して垂直方向に光を取り出す二次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記積層構造中に、高屈折率媒質からなる中央部と、該高屈折率媒質よりも屈折率が低い低屈折率媒質からなる周辺部とを備えた屈折率層を有し、
前記積層構造における表面の中央部には、前記活性層にキャリアを注入するための電極が設けられ、
前記屈折率層における低屈折率媒質からなる周辺部が、前記電極と重ならない領域に形成されていることを特徴とする。
基板上に、該基板の面に対して垂直方向に、活性層と、フォトニック結晶の構造を有するフォトニック結晶層とが積層された積層構造を備え、
該フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該フォトニック結晶の面に対して垂直方向に光を取り出す二次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記積層構造中に、高屈折率媒質からなる中央部と、該高屈折率媒質よりも屈折率が低い低屈折率媒質からなる周辺部とを備えた屈折率層を有し、
前記積層構造における表面の中央部には、前記活性層にキャリアを注入するための電極が設けられ、
前記屈折率層における低屈折率媒質からなる周辺部が、前記電極と重ならない領域に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、二次元フォトニック結晶の面内方向の外側に漏れる光のロスと、発光に寄与せず吸収層として働いてしまうことによる活性層での吸収ロスと、を抑制し、
光の利用効率を向上させることが可能となる二次元フォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
光の利用効率を向上させることが可能となる二次元フォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
図１を用いて、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶の構造を有するフォトニック結晶層を備えた積層構造の二次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。
図１において、１１１は下部コンタクト層、１１２は下部クラッド層、１１３は下部光ガイド層、１１４は活性層である。
１２１は低屈折率媒質、１２２は低屈折率媒質１２１を含む上部光ガイド層、１２３は電子ブロック層である。
１３２は二次元フォトニック結晶、１４１は二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層、１４２は上部クラッド層、１４３は上部コンタクト層である。１０１および１０２は電極である。
図１において、１１１は下部コンタクト層、１１２は下部クラッド層、１１３は下部光ガイド層、１１４は活性層である。
１２１は低屈折率媒質、１２２は低屈折率媒質１２１を含む上部光ガイド層、１２３は電子ブロック層である。
１３２は二次元フォトニック結晶、１４１は二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層、１４２は上部クラッド層、１４３は上部コンタクト層である。１０１および１０２は電極である。
ここで、低屈折率媒質１２１を含む上部光ガイド層１２２の製造プロセスについて説明する。
活性層１１４を形成した後、該活性層１１４上に、たとえば二酸化ケイ素（屈折率１．５）などよりなる低屈折率媒質１２１を、開口部を設けて形成する。
なお、開口部は種々の形状とすることができ、例えば、円形、六角形、四角形などの形状を用いることができる。
次に、低屈折率媒質１２１が形成された活性層１１４上に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、低屈折率媒質１２１が設けられていない個所から、該低屈折率媒質１２１よりも高屈折率の媒質、例えばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を結晶成長させ、該低屈折率媒質１２１を埋め込み、該低屈折率媒質１２１を含む上部光ガイド層１２２を形成する。
これにより、積層構造中に、高屈折率媒質１２４からなる中央部と、該高屈折率媒質１２４よりも屈折率が低い低屈折率媒質１２１からなる周辺部とを備えた屈折率層を形成することができる。
このような構造体は、非特許文献１（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２２１，ｐｐ．３１６−３２６，２０００）に開示されているような、横方向成長を促進するような成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃に設定する。
本実施形態において、活性層１１４と低屈折率媒質１２１は近接して配置されているが、該活性層１１４と低屈折率媒質１２１の距離は、離れていてもよい。
その場合には、該活性層１１４を形成し、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層する。
これにより、上部光ガイド層１２２の一部を形成した後、低屈折率媒質１２１を形成することで、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４の距離を任意に設定することが可能となる。
活性層１１４を形成した後、該活性層１１４上に、たとえば二酸化ケイ素（屈折率１．５）などよりなる低屈折率媒質１２１を、開口部を設けて形成する。
なお、開口部は種々の形状とすることができ、例えば、円形、六角形、四角形などの形状を用いることができる。
次に、低屈折率媒質１２１が形成された活性層１１４上に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、低屈折率媒質１２１が設けられていない個所から、該低屈折率媒質１２１よりも高屈折率の媒質、例えばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を結晶成長させ、該低屈折率媒質１２１を埋め込み、該低屈折率媒質１２１を含む上部光ガイド層１２２を形成する。
これにより、積層構造中に、高屈折率媒質１２４からなる中央部と、該高屈折率媒質１２４よりも屈折率が低い低屈折率媒質１２１からなる周辺部とを備えた屈折率層を形成することができる。
このような構造体は、非特許文献１（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２２１，ｐｐ．３１６−３２６，２０００）に開示されているような、横方向成長を促進するような成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃に設定する。
本実施形態において、活性層１１４と低屈折率媒質１２１は近接して配置されているが、該活性層１１４と低屈折率媒質１２１の距離は、離れていてもよい。
その場合には、該活性層１１４を形成し、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層する。
これにより、上部光ガイド層１２２の一部を形成した後、低屈折率媒質１２１を形成することで、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４の距離を任意に設定することが可能となる。
次に、二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１の製造プロセスについて説明する。
先ず、二次元フォトニック結晶１３２を形成する薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を、フォトニック結晶周期構造体１３１の高さに相当する膜厚で積層する。
その後、電子ビーム露光によって、該薄膜半導体層上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
続いて、前記レジストをマスクとして該薄膜半導体層をドライエッチングする。その後、該レジストを除去することで、二次元フォトニック結晶１３２が形成される。
続いて、前記フォトニック結晶周期構造体１３１を覆うように、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層することで、二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１を形成する。
このような構造体は、上記非特許文献１に開示されているような横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃に設定する。
先ず、二次元フォトニック結晶１３２を形成する薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を、フォトニック結晶周期構造体１３１の高さに相当する膜厚で積層する。
その後、電子ビーム露光によって、該薄膜半導体層上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
続いて、前記レジストをマスクとして該薄膜半導体層をドライエッチングする。その後、該レジストを除去することで、二次元フォトニック結晶１３２が形成される。
続いて、前記フォトニック結晶周期構造体１３１を覆うように、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層することで、二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１を形成する。
このような構造体は、上記非特許文献１に開示されているような横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃に設定する。
本実施の形態において、光ガイド層１４１内における二次元フォトニック結晶１３２の位置は、任意に設定することが可能である。
その場合には、該二次元フォトニック結晶１３２の位置を上方向に動かすのに必要な膜厚を加えて、薄膜半導体層を積層する。
その後、該二次元フォトニック結晶１３２を形成することで、配置を任意に設定することが可能となる。
なお、本実施の形態においては、レジストをマスクとしてドライエッチングを行い、前記二次元フォトニック結晶１３２を形成する場合について示した。
しかしながら、前記マスクとして、たとえば二酸化ケイ素を用いても良い。
すなわち、二酸化ケイ素を成膜した後、該に酸化ケイ素膜上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
次に、前記レジストをマスクとして該二酸化ケイ素膜をドライエッチングする。これにより、該二次元フォトニック結晶の形状の二酸化ケイ素膜が形成される。続いて、該二酸化ケイ素膜をマスクとして、前記薄膜半導体層をドライエッチングすることで、二次元フォトニック結晶１３２を形成しても良い。
その場合には、該二次元フォトニック結晶１３２の位置を上方向に動かすのに必要な膜厚を加えて、薄膜半導体層を積層する。
その後、該二次元フォトニック結晶１３２を形成することで、配置を任意に設定することが可能となる。
なお、本実施の形態においては、レジストをマスクとしてドライエッチングを行い、前記二次元フォトニック結晶１３２を形成する場合について示した。
しかしながら、前記マスクとして、たとえば二酸化ケイ素を用いても良い。
すなわち、二酸化ケイ素を成膜した後、該に酸化ケイ素膜上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
次に、前記レジストをマスクとして該二酸化ケイ素膜をドライエッチングする。これにより、該二次元フォトニック結晶の形状の二酸化ケイ素膜が形成される。続いて、該二酸化ケイ素膜をマスクとして、前記薄膜半導体層をドライエッチングすることで、二次元フォトニック結晶１３２を形成しても良い。
つぎに、低屈折率媒質１２１が、面発光レーザの特性に及ぼす影響について説明する。
図１を参照して、低屈折率媒質１２１が形成されている面発光レーザ１００の周辺部は、該低屈折率媒質の開口部、すなわち、高屈折率媒質１２４が形成されている中央部と比較して、二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路の実効屈折率が減少している。
これにより、該導波路の面内方向において、該低屈折率媒質１２１の開口部に、光を閉じ込めることが可能となる。
このように、屈折率差を利用して、前記低屈折率媒質１２１の開口部に光閉じ込め効果に寄与する作用を持たせることは、従来の分布ブラッグ反射鏡を共振器とした垂直共振器型面発光レーザにおける電流狭窄層の開口部の作用と、同様である。
しかしながら、前記低屈折率媒質１２１と、従来の分布ブラッグ反射鏡を共振器とした面発光レーザにおける電流狭窄層とを比較した場合、該電流狭窄層は絶縁媒質で構成されるが、該低屈折率媒質１２１は、絶縁媒質で構成されなくてもよい点が異なる。
本実施形態では、ｐ型ＧａＮが高抵抗であるため、ｐ型電極１０２から注入された電流は、該ｐ型電極１０２の直下付近のみに流れ、横方向には拡がり難い。
すなわち、該ｐ型電極１０２の直下付近の活性層領域のみにキャリアが注入され、発光領域となる。
したがって、前記低屈折率媒質１２１は、電流狭窄の効果を持つ必要がないため、絶縁媒質で構成されなくてもよい。
図１を参照して、低屈折率媒質１２１が形成されている面発光レーザ１００の周辺部は、該低屈折率媒質の開口部、すなわち、高屈折率媒質１２４が形成されている中央部と比較して、二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路の実効屈折率が減少している。
これにより、該導波路の面内方向において、該低屈折率媒質１２１の開口部に、光を閉じ込めることが可能となる。
このように、屈折率差を利用して、前記低屈折率媒質１２１の開口部に光閉じ込め効果に寄与する作用を持たせることは、従来の分布ブラッグ反射鏡を共振器とした垂直共振器型面発光レーザにおける電流狭窄層の開口部の作用と、同様である。
しかしながら、前記低屈折率媒質１２１と、従来の分布ブラッグ反射鏡を共振器とした面発光レーザにおける電流狭窄層とを比較した場合、該電流狭窄層は絶縁媒質で構成されるが、該低屈折率媒質１２１は、絶縁媒質で構成されなくてもよい点が異なる。
本実施形態では、ｐ型ＧａＮが高抵抗であるため、ｐ型電極１０２から注入された電流は、該ｐ型電極１０２の直下付近のみに流れ、横方向には拡がり難い。
すなわち、該ｐ型電極１０２の直下付近の活性層領域のみにキャリアが注入され、発光領域となる。
したがって、前記低屈折率媒質１２１は、電流狭窄の効果を持つ必要がないため、絶縁媒質で構成されなくてもよい。
また、本発明者らは、上述の面内方向における光閉じ込め、すなわち、横方向の光閉じ込め効果に加えて、該低屈折率媒質１２１が形成されている領域では、
前記二次元フォトニック結晶１３２の層への光閉じ込めが増加する、縦方向の光閉じ込め効果があることを見出した。
上述のように、前記ｐ型電極１０２の周辺部の領域、すなわち、該低屈折率媒質１２１が形成されている領域では、活性層にキャリアが注入されず、吸収層として働き、光の損失が大きくなる。
これに対して、本発明者らは、前記低屈折率媒質１２１を形成することで、レーザ内部の導波路内の光分布において、前記活性層への光分布を減少させる一方で、前記二次元フォトニック結晶１３２の層への光分布を増加できることを見出した。
これにより、吸収層として働く活性層による光のロスを抑制し、該二次元フォトニック結晶１３２において共振に寄与する光を増すことができるようになる。
前記二次元フォトニック結晶１３２の層への光閉じ込めが増加する、縦方向の光閉じ込め効果があることを見出した。
上述のように、前記ｐ型電極１０２の周辺部の領域、すなわち、該低屈折率媒質１２１が形成されている領域では、活性層にキャリアが注入されず、吸収層として働き、光の損失が大きくなる。
これに対して、本発明者らは、前記低屈折率媒質１２１を形成することで、レーザ内部の導波路内の光分布において、前記活性層への光分布を減少させる一方で、前記二次元フォトニック結晶１３２の層への光分布を増加できることを見出した。
これにより、吸収層として働く活性層による光のロスを抑制し、該二次元フォトニック結晶１３２において共振に寄与する光を増すことができるようになる。
前記低屈折率媒質が、面発光レーザ内部での光分布に及ぼす影響を確認するため、図１に示した面発光レーザ１００の内部における導波モードの電界分布についてシミュレーションを行った。
各層の膜厚や屈折率などを、次のような値として計算を行った。
下部クラッド層１１２の厚みを６００ｎｍ、下部光ガイド層１１３の厚みを８０ｎｍ、上部光ガイド層１２２の厚みは１００ｎｍ、電子ブロック層１２３の厚みを２０ｎｍとした。
二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１の厚みを２００ｎｍ、上部クラッド層１４２の厚みを２００ｎｍ、上部コンタクト層１４３の厚みを５０ｎｍとした。
二次元フォトニック結晶１３２の孔の直径を５６ｎｍ、該孔の深さを８０ｎｍ、該二次元フォトニック結晶１３２の周期を１６０ｎｍとした。
また、上部電極は、該上部コンタクト層１４３の全面を覆っているとし、該上部電極の厚みを５０ｎｍとした。
該孔の最上部が、前記光ガイド層１４１の中間に位置するとした。
また、屈折率に関しては、下部クラッド層１１２および上部クラッド層１４２の屈折率を２．４９、下部光ガイド層１１３、上部光ガイド層１２２、上部コンタクト層１４３、および二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１の屈折率を２．５５とした。
また、活性層１１４の屈折率を２．６２、前記二次元フォトニック結晶１３２の孔の屈折率を１．０、前記低屈折率媒質１２１の屈折率を１．５とした。
各層の膜厚や屈折率などを、次のような値として計算を行った。
下部クラッド層１１２の厚みを６００ｎｍ、下部光ガイド層１１３の厚みを８０ｎｍ、上部光ガイド層１２２の厚みは１００ｎｍ、電子ブロック層１２３の厚みを２０ｎｍとした。
二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１の厚みを２００ｎｍ、上部クラッド層１４２の厚みを２００ｎｍ、上部コンタクト層１４３の厚みを５０ｎｍとした。
二次元フォトニック結晶１３２の孔の直径を５６ｎｍ、該孔の深さを８０ｎｍ、該二次元フォトニック結晶１３２の周期を１６０ｎｍとした。
また、上部電極は、該上部コンタクト層１４３の全面を覆っているとし、該上部電極の厚みを５０ｎｍとした。
該孔の最上部が、前記光ガイド層１４１の中間に位置するとした。
また、屈折率に関しては、下部クラッド層１１２および上部クラッド層１４２の屈折率を２．４９、下部光ガイド層１１３、上部光ガイド層１２２、上部コンタクト層１４３、および二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１の屈折率を２．５５とした。
また、活性層１１４の屈折率を２．６２、前記二次元フォトニック結晶１３２の孔の屈折率を１．０、前記低屈折率媒質１２１の屈折率を１．５とした。
図１における、低屈折率媒質１２１が形成されていない場合の計算結果を図２（ａ）に示す。
図２（ａ）を参照して、曲線は面発光レーザの内部における光強度分布、灰色および斜線の境界部分は、二次元フォトニック結晶１３２および活性層１１４の位置を、それぞれ示している。
ここで、面発光レーザの最表面の位置を、図２の横軸において、０ｎｍとしている。活性層部分に、光強度分布のピークがあり、ほぼ単峰の分布になっていることが分かる。
これに対し、本実施の形態における、すなわち、前記活性層１１４の上側に前記低屈折率媒質１２１が近接配置された状態で、該低屈折率媒質１２１が開口部を有さない均一な膜厚の層であった場合の計算結果を図２（ｂ）に示す。
ここで、該低屈折率媒質１２１の膜厚を変化させて計算した。
該低屈折率媒質１２１の層を形成し、該低屈折率媒質１２１の膜厚を増加させていくことで、該活性層１１４の部分における光分布が減少する一方で、前記二次元フォトニック結晶１３２の部分の光分布が増加していることが分かる。
なお、該低屈折率媒質１２１の膜厚が、２０ｎｍ以上になると、光の導波モードが形成されない計算結果となった。そのため、低屈折率媒質１２１の膜厚は２０ｎｍ未満であることが好ましい。
図２（ａ）を参照して、曲線は面発光レーザの内部における光強度分布、灰色および斜線の境界部分は、二次元フォトニック結晶１３２および活性層１１４の位置を、それぞれ示している。
ここで、面発光レーザの最表面の位置を、図２の横軸において、０ｎｍとしている。活性層部分に、光強度分布のピークがあり、ほぼ単峰の分布になっていることが分かる。
これに対し、本実施の形態における、すなわち、前記活性層１１４の上側に前記低屈折率媒質１２１が近接配置された状態で、該低屈折率媒質１２１が開口部を有さない均一な膜厚の層であった場合の計算結果を図２（ｂ）に示す。
ここで、該低屈折率媒質１２１の膜厚を変化させて計算した。
該低屈折率媒質１２１の層を形成し、該低屈折率媒質１２１の膜厚を増加させていくことで、該活性層１１４の部分における光分布が減少する一方で、前記二次元フォトニック結晶１３２の部分の光分布が増加していることが分かる。
なお、該低屈折率媒質１２１の膜厚が、２０ｎｍ以上になると、光の導波モードが形成されない計算結果となった。そのため、低屈折率媒質１２１の膜厚は２０ｎｍ未満であることが好ましい。
また、図２（ｃ）は、該活性層１１４の下側、すなわち、該低屈折率媒質１２１が該活性層１１４に対して前記二次元フォトニック結晶１３２の反対側、に近接配置された該低屈折率媒質１２１の膜厚を変化させたときの計算結果である。該活性層１１４の直上に、該低屈折率媒質１２１を形成した場合と比較して、該低屈折率媒質１２１の膜厚を増加に伴い、該二次元フォトニック結晶１３２の部分の光分布がより一層増加していることが分かる。
なお、該低屈折率媒質１２１の膜厚が、２５ｎｍ以上になると、光の導波モードが形成されない計算結果となった。そのため、低屈折率媒質１２１の膜厚は２５ｎｍ未満であることが好ましい。
これらは、該低屈折率媒質１２１の層が形成されていない場合と比較して、本実施の形態では、該活性層１１４付近の実効屈折率が減少することで、相対的に実効屈折率が高くなる該二次元フォトニック結晶１３２の部分の光分布が増加するためである。
なお、該低屈折率媒質１２１の膜厚が、２５ｎｍ以上になると、光の導波モードが形成されない計算結果となった。そのため、低屈折率媒質１２１の膜厚は２５ｎｍ未満であることが好ましい。
これらは、該低屈折率媒質１２１の層が形成されていない場合と比較して、本実施の形態では、該活性層１１４付近の実効屈折率が減少することで、相対的に実効屈折率が高くなる該二次元フォトニック結晶１３２の部分の光分布が増加するためである。
以上のように、本実施形態では、前記低屈折率媒質１２１の層が形成されていない場合と比較して、前記活性層１１４への光閉じ込めを減少させるとともに、前記二次元フォトニック結晶１３２への光閉じ込めを高められるという効果があることが分かる。
これにより、面発光レーザの発光領域の周辺部において、吸収層として働く活性層による光の吸収ロスを減少できるとともに、二次元フォトニック結晶への光閉じ込めを増加できることで、面発光レーザの特性を向上することができる。
これにより、面発光レーザの発光領域の周辺部において、吸収層として働く活性層による光の吸収ロスを減少できるとともに、二次元フォトニック結晶への光閉じ込めを増加できることで、面発光レーザの特性を向上することができる。
次に、前記低屈折率媒質１２１の膜厚を１０ｎｍとして、該低屈折率媒質１２１を前記活性層１１４の上側、すなわち、該低屈折率媒質１２１が前記二次元フォトニック結晶１３２と該活性層１１４の間、に配置し、
該低屈折率媒質１２１の層と該活性層１１４との距離を変化させた場合の計算結果を図３（ａ）に示す。
また、該低屈折率媒質１２１の層を該活性層１１４の下側に配置した場合の計算結果を図３（ｂ）に示す。
該低屈折率媒質１２１を該活性層１１４の上側に配置した場合、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４との距離が離れるに連れて、該二次元フォトニック結晶１３２の部分での光閉じ込めが弱くなることが分かる。
また、該距離が４０ｎｍ以上では、図２（ａ）に示した該低屈折率媒質１２１の層を形成していないときと比較して、該二次元フォトニック結晶１３２の部分での光閉じ込めが弱くなることが分かる。
これは、該距離が離れ過ぎると、屈折率の低い該低屈折率媒質１２１が光に対して障壁として働くため、該低屈折率媒質１２１から見て該活性層１１４の反対側にあたる該二次元フォトニック結晶１３２側への光分布が減少するためである。これより、該低屈折率媒質１２１が該二次元フォトニック結晶１３２と該活性層１１４の間にある場合において、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４との距離は、４０ｎｍ未満という範囲が好ましい。
該低屈折率媒質１２１の層と該活性層１１４との距離を変化させた場合の計算結果を図３（ａ）に示す。
また、該低屈折率媒質１２１の層を該活性層１１４の下側に配置した場合の計算結果を図３（ｂ）に示す。
該低屈折率媒質１２１を該活性層１１４の上側に配置した場合、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４との距離が離れるに連れて、該二次元フォトニック結晶１３２の部分での光閉じ込めが弱くなることが分かる。
また、該距離が４０ｎｍ以上では、図２（ａ）に示した該低屈折率媒質１２１の層を形成していないときと比較して、該二次元フォトニック結晶１３２の部分での光閉じ込めが弱くなることが分かる。
これは、該距離が離れ過ぎると、屈折率の低い該低屈折率媒質１２１が光に対して障壁として働くため、該低屈折率媒質１２１から見て該活性層１１４の反対側にあたる該二次元フォトニック結晶１３２側への光分布が減少するためである。これより、該低屈折率媒質１２１が該二次元フォトニック結晶１３２と該活性層１１４の間にある場合において、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４との距離は、４０ｎｍ未満という範囲が好ましい。
一方、該低屈折率媒質１２１を該活性層１１４に対して前記二次元フォトニック結晶１３２の反対側に配置した場合は、
該低屈折率媒質１２１が該二次元フォトニック結晶１３２と該活性層１１４の間にある場合と比較して、該二次元フォトニック結晶１３２の部分での光閉じ込めが大きくなっていることが分かる。
該低屈折率媒質１２１を該活性層１１４の上側に配置したときに前記光閉じ込めが最も大きくなる近接配置（距離０ｎｍ）の場合と比較して、
該低屈折率媒質１２１を該活性層１１４の下側に配置したときの該光閉じ込めは、該距離が７０ｎｍの場合でも１．１倍大きくなっている。
該低屈折率媒質１２１が該二次元フォトニック結晶１３２と該活性層１１４の間にある場合と比較して、該二次元フォトニック結晶１３２の部分での光閉じ込めが大きくなっていることが分かる。
該低屈折率媒質１２１を該活性層１１４の上側に配置したときに前記光閉じ込めが最も大きくなる近接配置（距離０ｎｍ）の場合と比較して、
該低屈折率媒質１２１を該活性層１１４の下側に配置したときの該光閉じ込めは、該距離が７０ｎｍの場合でも１．１倍大きくなっている。
つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図１を用いて説明する。
本実施例の面発光レーザ１００は、二次元フォトニック結晶１３２を含むｐ型ガイド層１４１と、活性層１１４と、ｎ型クラッド層１１２と、ｎ型コンタクト層１１１と、電極１０１および１０２とを備えている。
二次元フォトニック結晶を含むｐ型ガイド層１４１およびｎ型コンタクト層１１１は、それぞれたとえばｐ型およびｎ型ＧａＮの半導体層からなる。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図１を用いて説明する。
本実施例の面発光レーザ１００は、二次元フォトニック結晶１３２を含むｐ型ガイド層１４１と、活性層１１４と、ｎ型クラッド層１１２と、ｎ型コンタクト層１１１と、電極１０１および１０２とを備えている。
二次元フォトニック結晶を含むｐ型ガイド層１４１およびｎ型コンタクト層１１１は、それぞれたとえばｐ型およびｎ型ＧａＮの半導体層からなる。
活性層１１４は、窒化物半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、該量子井戸構造の井戸層および障壁層は、それぞれＩｎＧａＮおよびＧａＮからなる。
該井戸層のバンドギャップは、該障壁層、二次元フォトニック結晶を含むｐ型光ガイド層１４１のバンドギャップより小さい。
該活性層１１４は、キャリアの注入により発光する。なお、本実施例における活性層１１４は、上記の多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造であってもよい。
該井戸層のバンドギャップは、該障壁層、二次元フォトニック結晶を含むｐ型光ガイド層１４１のバンドギャップより小さい。
該活性層１１４は、キャリアの注入により発光する。なお、本実施例における活性層１１４は、上記の多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造であってもよい。
ｎ型コンタクト層１１１の裏面およびｐ型コンタクト層１４３の表面には、それぞれＡｕ（金）からなるｎ型電極１０１およびｐ型電極１０２が形成されている。
なお、本実施例における電極材料は、Ａｕに特に限定されるものではなく、他の材料であってもよい。
電極１０１、１０２間に電圧を印加することにより活性層１１４のキャリアが注入された領域が発光し、該活性層１１４から放出された光が、二次元フォトニック結晶１３２に入射する。
フォトニック結晶１３２が有する所定の周期に一致する光は、該フォトニック結晶１３２により回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。
フォトニック結晶１３２によって位相が規定された光は、回折により該活性層１１４内の光にフィードバックされ、定在波を発生させる。
この定在波は、該フォトニック結晶１３２において規定される光の波長および位相条件を満足している。
これにより、光は該フォトニック結晶１３２で共振して増幅され、コヒーレントな光が、該フォトニック結晶１３２の面の垂直方向に面発光される。
なお、本実施例における電極材料は、Ａｕに特に限定されるものではなく、他の材料であってもよい。
電極１０１、１０２間に電圧を印加することにより活性層１１４のキャリアが注入された領域が発光し、該活性層１１４から放出された光が、二次元フォトニック結晶１３２に入射する。
フォトニック結晶１３２が有する所定の周期に一致する光は、該フォトニック結晶１３２により回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。
フォトニック結晶１３２によって位相が規定された光は、回折により該活性層１１４内の光にフィードバックされ、定在波を発生させる。
この定在波は、該フォトニック結晶１３２において規定される光の波長および位相条件を満足している。
これにより、光は該フォトニック結晶１３２で共振して増幅され、コヒーレントな光が、該フォトニック結晶１３２の面の垂直方向に面発光される。
二次元フォトニック結晶１３２は、格子形状に配列されたフォトニック結晶周期構造体１３１からなっている。
なお、本実施例におけるフォトニック結晶周期構造体１３１は、該二次元フォトニック結晶を形成している半導体層の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）との屈折率の差を大きくとれる、空気（屈折率１．０）からなっていることが好ましい。しかしながら、二次元フォトニック結晶を形成している半導体よりも低屈折率の誘電体材料でフォトニック結晶周期構造体１３１が形成されていてもよい。
フォトニック結晶周期構造体１３１を形成する低屈折率の誘電体材料としては、たとえば、二酸化ケイ素（屈折率１．５）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などを用いることができる。
なお、本実施例におけるフォトニック結晶周期構造体１３１は、該二次元フォトニック結晶を形成している半導体層の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）との屈折率の差を大きくとれる、空気（屈折率１．０）からなっていることが好ましい。しかしながら、二次元フォトニック結晶を形成している半導体よりも低屈折率の誘電体材料でフォトニック結晶周期構造体１３１が形成されていてもよい。
フォトニック結晶周期構造体１３１を形成する低屈折率の誘電体材料としては、たとえば、二酸化ケイ素（屈折率１．５）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などを用いることができる。
つぎに、本実施例における面発光レーザ１００の製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板からなるｎ型コンタクト層１１１の上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１１２と、ノンドープＧａＮからなる光ガイド層１１３と、活性層１１４と、をこの順番で積層する。
なお、該光ガイド層１１３を形成する材料は、ノンドープＧａＮに特に限定されるものではなく、ｎ型ＧａＮであってもよい。
活性層１１４を形成した後、該活性層１１４上に、開口部を有する、二酸化ケイ素（屈折率１．５）などよりなる低屈折率媒質１２１を選択的に形成する。
そのために、まず、前記活性層１１４の上に、円形パターンを施したレジストを形成する。
次に、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタリング装置などを用いて、二酸化ケイ素を１０ｎｍの厚みで成膜する。続いて、リフトオフを行うことにより、円形の開口部を有する低屈折率媒質１２１が形成される。
なお、開口部の形状は、円形に特に限定されるものではなく、例えば、六角形、四角形などであってもよい。
また、光閉じ込めを向上させるためには、本実施例における該開口部は、閉じていることが好ましいが、特に限定されるものではなく、開いていてもよい。
また、本実施例における低屈折率媒質１２１の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えばドライエッチング法などであってもよい。この場合は、先ず、前記活性層１１４の上に、二酸化ケイ素を成膜する。
まず、図１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板からなるｎ型コンタクト層１１１の上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１１２と、ノンドープＧａＮからなる光ガイド層１１３と、活性層１１４と、をこの順番で積層する。
なお、該光ガイド層１１３を形成する材料は、ノンドープＧａＮに特に限定されるものではなく、ｎ型ＧａＮであってもよい。
活性層１１４を形成した後、該活性層１１４上に、開口部を有する、二酸化ケイ素（屈折率１．５）などよりなる低屈折率媒質１２１を選択的に形成する。
そのために、まず、前記活性層１１４の上に、円形パターンを施したレジストを形成する。
次に、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタリング装置などを用いて、二酸化ケイ素を１０ｎｍの厚みで成膜する。続いて、リフトオフを行うことにより、円形の開口部を有する低屈折率媒質１２１が形成される。
なお、開口部の形状は、円形に特に限定されるものではなく、例えば、六角形、四角形などであってもよい。
また、光閉じ込めを向上させるためには、本実施例における該開口部は、閉じていることが好ましいが、特に限定されるものではなく、開いていてもよい。
また、本実施例における低屈折率媒質１２１の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えばドライエッチング法などであってもよい。この場合は、先ず、前記活性層１１４の上に、二酸化ケイ素を成膜する。
次に、前記二酸化ケイ素の膜上に、レジストマスクを形成し、所定のパターンを施した後、ドライエッチングを行うことで、低屈折率媒質１２１の層が完成する。
また、本実施例における低屈折率媒質１２１の膜厚は、１０ｎｍに特に限定されるものではなく、２０ｎｍ未満、すなわち、二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路において導波モードが形成される範囲の膜厚であればよい。
次に、低屈折率媒質１２１が形成された活性層１１４上に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、横方向成長を促進するような所定の成長条件、例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃、にそれぞれ設定する。
そして、低屈折率媒質１２１が設けられていない個所から該低屈折率媒質１２１を埋め込むように、ノンドープＧａＮからなる光ガイド層１２２を積層する。
該光ガイド層１２２を形成する材料は、ノンドープＧａＮに特に限定されるものではなく、ｐ型ＧａＮであってもよい。
なお、光閉じ込めを向上させるためには、本実施例における低屈折率媒質１２１の配置は、活性層１１４に近接配置されていることが好ましい。
しかし、これに特に限定されるものではなく、二次元フォトニック結晶１３２への光閉じ込めが強くなる範囲、すなわち、４０ｎｍ未満の範囲で任意に設定してよい。
この場合は、該活性層１１４を形成し、たとえばノンドープＧａＮからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層する。
これにより、光ガイド層１２２の一部を形成した後、低屈折率媒質１２１を形成することで、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４の距離を任意に設定することが可能となる。
なお、本実施例における前記低屈折率媒質１２１は、二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気の屈折率よりも高く、ガイド層１２２の屈折率よりも低い媒質であればよい。例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＢａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＬｉＦなどを用いることも出来る。
また、二酸化ケイ素を含む、これらの媒質からなる前記低屈折率媒質１２１の層の形成により、活性層１１４を構成するＩｎ原子が、結晶成長中の内部拡散により、光ガイド層１２２の側に拡散していくことを抑制できるという副次的効果も期待できる。すなわち、低屈折率媒質１２１は、内部拡散抑制層として機能する。
同様に、該記低屈折率媒質１２１の層の形成により、ｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１４１を構成するＭｇ原子が、該活性層１１４の側に内部拡散していくことを抑制できるという副次的効果も期待できる。
また、本実施例における低屈折率媒質１２１の膜厚は、１０ｎｍに特に限定されるものではなく、２０ｎｍ未満、すなわち、二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路において導波モードが形成される範囲の膜厚であればよい。
次に、低屈折率媒質１２１が形成された活性層１１４上に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、横方向成長を促進するような所定の成長条件、例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃、にそれぞれ設定する。
そして、低屈折率媒質１２１が設けられていない個所から該低屈折率媒質１２１を埋め込むように、ノンドープＧａＮからなる光ガイド層１２２を積層する。
該光ガイド層１２２を形成する材料は、ノンドープＧａＮに特に限定されるものではなく、ｐ型ＧａＮであってもよい。
なお、光閉じ込めを向上させるためには、本実施例における低屈折率媒質１２１の配置は、活性層１１４に近接配置されていることが好ましい。
しかし、これに特に限定されるものではなく、二次元フォトニック結晶１３２への光閉じ込めが強くなる範囲、すなわち、４０ｎｍ未満の範囲で任意に設定してよい。
この場合は、該活性層１１４を形成し、たとえばノンドープＧａＮからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層する。
これにより、光ガイド層１２２の一部を形成した後、低屈折率媒質１２１を形成することで、該低屈折率媒質１２１と該活性層１１４の距離を任意に設定することが可能となる。
なお、本実施例における前記低屈折率媒質１２１は、二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気の屈折率よりも高く、ガイド層１２２の屈折率よりも低い媒質であればよい。例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＢａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＬｉＦなどを用いることも出来る。
また、二酸化ケイ素を含む、これらの媒質からなる前記低屈折率媒質１２１の層の形成により、活性層１１４を構成するＩｎ原子が、結晶成長中の内部拡散により、光ガイド層１２２の側に拡散していくことを抑制できるという副次的効果も期待できる。すなわち、低屈折率媒質１２１は、内部拡散抑制層として機能する。
同様に、該記低屈折率媒質１２１の層の形成により、ｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１４１を構成するＭｇ原子が、該活性層１１４の側に内部拡散していくことを抑制できるという副次的効果も期待できる。
次に、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１２３を積層する。
続いて、二次元フォトニック結晶１３２を形成する薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を、フォトニック結晶周期構造体１３１の高さに相当する膜厚で積層する。
その後、電子ビーム露光によって、該薄膜半導体層上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
続いて、前記レジストをマスクとして該薄膜半導体層をドライエッチングする。その後、該レジストを除去することで、二次元フォトニック結晶１３２が形成される。
ここで、二次元フォトニック結晶１３２の共振波長と格子定数をそれぞれλとａとし、該二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路の実効屈折率をｎｅｆｆとする。
面発光レーザの特性を向上させるためには、二次元フォトニック結晶１３２の場所に依らず、λ＝ａ×ｎｅｆｆが一定値になるように、格子定数ａを調整して、結晶周期構造体１３１を形成することがより好ましい。
また、本実施の形態においては、レジストをマスクとしてドライエッチングを行い、前記二次元フォトニック結晶１３２を形成する場合について示した。
しかしながら、前記マスクとして、たとえば二酸化ケイ素を用いても良い。すなわち、二酸化ケイ素を成膜した後、該二酸化ケイ素膜上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
続いて、二次元フォトニック結晶１３２を形成する薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、たとえばｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を、フォトニック結晶周期構造体１３１の高さに相当する膜厚で積層する。
その後、電子ビーム露光によって、該薄膜半導体層上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
続いて、前記レジストをマスクとして該薄膜半導体層をドライエッチングする。その後、該レジストを除去することで、二次元フォトニック結晶１３２が形成される。
ここで、二次元フォトニック結晶１３２の共振波長と格子定数をそれぞれλとａとし、該二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路の実効屈折率をｎｅｆｆとする。
面発光レーザの特性を向上させるためには、二次元フォトニック結晶１３２の場所に依らず、λ＝ａ×ｎｅｆｆが一定値になるように、格子定数ａを調整して、結晶周期構造体１３１を形成することがより好ましい。
また、本実施の形態においては、レジストをマスクとしてドライエッチングを行い、前記二次元フォトニック結晶１３２を形成する場合について示した。
しかしながら、前記マスクとして、たとえば二酸化ケイ素を用いても良い。すなわち、二酸化ケイ素を成膜した後、該二酸化ケイ素膜上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
次に、前記レジストをマスクとして該二酸化ケイ素膜をドライエッチングする。
これにより、該二次元フォトニック結晶の形状の二酸化ケイ素膜が形成される。続いて、該二酸化ケイ素膜をマスクとして、前記薄膜半導体層をドライエッチングすることで、二次元フォトニック結晶１３２を形成しても良い。
次に、横方向成長を促進するような所定の成長条件、例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１１５０℃、にそれぞれ設定する。
そして、空孔からなるフォトニック結晶周期構造体１３１を覆うように、ｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層することで、二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１を形成する。
ここで、フォトニック結晶周期構造体１３１は、二次元フォトニック結晶１３２を構成する半導体層との屈折率の差を大きく出来る、空孔（気体、たとえば空気を埋め込んだ状態）であることがより好ましい。
より厳密には、結晶成長における雰囲気に含まれる気体が存在する状態であることがより好ましい。
しかしながら、該空孔は、該二次元フォトニック結晶１３２を構成する半導体よりも低屈折率の媒質、たとえば、二酸化ケイ素や窒化シリコンで埋め込まれていても良い。
この場合は、たとえば、二酸化ケイ素からなるフォトニック結晶周期構造体１３１を形成後、該フォトニック結晶周期構造体１３１を埋め込むように、ｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層することで、二次元フォトニック結晶１３２を形成する。
なお、本実施例における、光ガイド層１４１内における二次元フォトニック結晶１３２の位置は、任意に設定することが可能である。
その場合には、該二次元フォトニック結晶１３２の位置を上方向に動かすのに必要な膜厚を加えて、薄膜半導体層を積層する。
その後、該二次元フォトニック結晶１３２を形成することで、任意に設定した位置にすることが可能となる。
これにより、該二次元フォトニック結晶の形状の二酸化ケイ素膜が形成される。続いて、該二酸化ケイ素膜をマスクとして、前記薄膜半導体層をドライエッチングすることで、二次元フォトニック結晶１３２を形成しても良い。
次に、横方向成長を促進するような所定の成長条件、例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１１５０℃、にそれぞれ設定する。
そして、空孔からなるフォトニック結晶周期構造体１３１を覆うように、ｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層することで、二次元フォトニック結晶１３２を含む光ガイド層１４１を形成する。
ここで、フォトニック結晶周期構造体１３１は、二次元フォトニック結晶１３２を構成する半導体層との屈折率の差を大きく出来る、空孔（気体、たとえば空気を埋め込んだ状態）であることがより好ましい。
より厳密には、結晶成長における雰囲気に含まれる気体が存在する状態であることがより好ましい。
しかしながら、該空孔は、該二次元フォトニック結晶１３２を構成する半導体よりも低屈折率の媒質、たとえば、二酸化ケイ素や窒化シリコンで埋め込まれていても良い。
この場合は、たとえば、二酸化ケイ素からなるフォトニック結晶周期構造体１３１を形成後、該フォトニック結晶周期構造体１３１を埋め込むように、ｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層することで、二次元フォトニック結晶１３２を形成する。
なお、本実施例における、光ガイド層１４１内における二次元フォトニック結晶１３２の位置は、任意に設定することが可能である。
その場合には、該二次元フォトニック結晶１３２の位置を上方向に動かすのに必要な膜厚を加えて、薄膜半導体層を積層する。
その後、該二次元フォトニック結晶１３２を形成することで、任意に設定した位置にすることが可能となる。
次に、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１４２と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１４３と、をこの順番で積層する。
続いて、ｎ型コンタクト層１１１およびｐ型コンタクト層１４３の表面に、ｎ型電極１０１およびｐ型電極１０２をそれぞれ形成し、面発光レーザ１００が完成する。
ここで、面発光レーザの特性をより向上させるためには、ｐ型電極１０２は、前記低屈折率媒質１２１の開口部垂直投影領域の内部に形成されることがより好ましい。
しかしながら、特にそれに限定されるものではなく、前記二次元フォトニック結晶１３２内で共振したレーザ光が、該ｐ型電極１０２の周辺から外に取り出すことが可能な、該ｐ型電極１０２の大きさであればよい。
また、本実施例では、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層を形成しているが、これらの層の形成に特に限定されるものではなく、形成しなくてもよい。
この場合は、二次元フォトニック結晶を含むｐ型光ガイド層の表面に接する大気（空気）がクラッド層としての機能を果たすことになる。
これにより、ｐ型ＧａＮと比較して高抵抗であるｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層による内部抵抗の増加を抑制することができる。
このため、ｐ型クラッド層を形成させる場合と比較して、面発光レーザの駆動電圧の低下が可能である。
続いて、ｎ型コンタクト層１１１およびｐ型コンタクト層１４３の表面に、ｎ型電極１０１およびｐ型電極１０２をそれぞれ形成し、面発光レーザ１００が完成する。
ここで、面発光レーザの特性をより向上させるためには、ｐ型電極１０２は、前記低屈折率媒質１２１の開口部垂直投影領域の内部に形成されることがより好ましい。
しかしながら、特にそれに限定されるものではなく、前記二次元フォトニック結晶１３２内で共振したレーザ光が、該ｐ型電極１０２の周辺から外に取り出すことが可能な、該ｐ型電極１０２の大きさであればよい。
また、本実施例では、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層を形成しているが、これらの層の形成に特に限定されるものではなく、形成しなくてもよい。
この場合は、二次元フォトニック結晶を含むｐ型光ガイド層の表面に接する大気（空気）がクラッド層としての機能を果たすことになる。
これにより、ｐ型ＧａＮと比較して高抵抗であるｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層による内部抵抗の増加を抑制することができる。
このため、ｐ型クラッド層を形成させる場合と比較して、面発光レーザの駆動電圧の低下が可能である。
なお、本実施例では、ｎ型コンタクト層１１１として、ｎ型ＧａＮ基板を用いる場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザにおいて、ｎ型コンタクト層１１１の形成は、ｎ型ＧａＮ基板を用いることに、特に限定されるものではない。
例えば、ｎ型ＧａＮ基板に代え、ｎ型ＳｉＣ基板を用いてもよい。
また、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、歪緩衝層を介してＧａＮからなる転位低減のためのＧａＮバッファ層を形成し、その上に、ｎ型ＧａＮを形成することで、ｎ型コンタクト層としてもよい。
この場合は、レーザリフトオフ法により、前記歪緩衝層を熱分解し、前記サファイア基板を剥離した後、ｎ型電極を形成する。
また、前記ｎ型電極の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、別の方法であってもよい。
例えば、前記サファイア基板は剥離せずに、面発光レーザの表面側から、ドライエッチング法により、ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、そこにｎ型電極を形成してもよい。
また、サファイア基板ではなく、シリコン基板などを用いてもよい。
この場合は、シリコン基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、歪緩衝層を介してＧａＮからなる転位低減のためのＧａＮバッファ層を形成し、その上に、ｎ型ＧａＮを形成することで、ｎ型コンタクト層としてもよい。
また、前記シリコン基板にｎ型シリコンを用いる場合は、該ｎ型シリコン基板の裏面に、ｎ型電極を形成することができ、基板剥離の工程が不要となる。
しかし、本発明の面発光レーザにおいて、ｎ型コンタクト層１１１の形成は、ｎ型ＧａＮ基板を用いることに、特に限定されるものではない。
例えば、ｎ型ＧａＮ基板に代え、ｎ型ＳｉＣ基板を用いてもよい。
また、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、歪緩衝層を介してＧａＮからなる転位低減のためのＧａＮバッファ層を形成し、その上に、ｎ型ＧａＮを形成することで、ｎ型コンタクト層としてもよい。
この場合は、レーザリフトオフ法により、前記歪緩衝層を熱分解し、前記サファイア基板を剥離した後、ｎ型電極を形成する。
また、前記ｎ型電極の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、別の方法であってもよい。
例えば、前記サファイア基板は剥離せずに、面発光レーザの表面側から、ドライエッチング法により、ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、そこにｎ型電極を形成してもよい。
また、サファイア基板ではなく、シリコン基板などを用いてもよい。
この場合は、シリコン基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、歪緩衝層を介してＧａＮからなる転位低減のためのＧａＮバッファ層を形成し、その上に、ｎ型ＧａＮを形成することで、ｎ型コンタクト層としてもよい。
また、前記シリコン基板にｎ型シリコンを用いる場合は、該ｎ型シリコン基板の裏面に、ｎ型電極を形成することができ、基板剥離の工程が不要となる。
つぎに、図４を用いて、本実施例における他の構成例について説明する。
図４において、４２１は低屈折率媒質、４１４は活性層、４４１は二次元フォトニック結晶４３２を含むｐ型光ガイド層である。
本実施例では、図１に示したように、開口部を有する低屈折率媒質は、場所に依らず、一定の膜厚で形成している。
しかし、図４に示すように、低屈折率媒質からなる周辺部が、中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に厚くなる層構成を備えるように形成してもよい。
この場合、前記二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路の実効屈折率は、該開口部の界面で急激に変化するのではなく、徐々に変化することになる。
これにより、該開口部の界面での該導波路のミスマッチを抑制することができる。このため、前記面発光レーザの特性の向上が期待できる。
また、本実施例では、低屈折率媒質からなる層を堆積することにより形成しているが、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えば、イオン注入により、該低屈折率媒質を形成してもよい。
この場合、図１を参照して、活性層１１４を形成した後、設定した低屈折率媒質の厚み分の、例えばｐ型ＧａＮを積層する。
図４において、４２１は低屈折率媒質、４１４は活性層、４４１は二次元フォトニック結晶４３２を含むｐ型光ガイド層である。
本実施例では、図１に示したように、開口部を有する低屈折率媒質は、場所に依らず、一定の膜厚で形成している。
しかし、図４に示すように、低屈折率媒質からなる周辺部が、中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に厚くなる層構成を備えるように形成してもよい。
この場合、前記二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路の実効屈折率は、該開口部の界面で急激に変化するのではなく、徐々に変化することになる。
これにより、該開口部の界面での該導波路のミスマッチを抑制することができる。このため、前記面発光レーザの特性の向上が期待できる。
また、本実施例では、低屈折率媒質からなる層を堆積することにより形成しているが、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えば、イオン注入により、該低屈折率媒質を形成してもよい。
この場合、図１を参照して、活性層１１４を形成した後、設定した低屈折率媒質の厚み分の、例えばｐ型ＧａＮを積層する。
次に、本実施例と同様の構成で、面発光レーザ１００の発光領域の周辺部に、たとえばボロン（Ｂ）を所定の加速電圧および注入量で、イオン注入する。
これにより、該発光領域の周辺部の該ｐ型ＧａＮからなる層の屈折率を減少させることができ、低屈折率媒質の層が形成されることになる。
ここで、イオン注入する原子は、ボロン（Ｂ）に特に限定されるものではなく、屈折率を減少させることの出来る、たとえばアルミニウム（Ａｌ）であってもよい。
なお、前記イオン注入は、該イオン注入する領域の場所に依らず、一定の条件で行うことに特に限定されるものではなく、該イオン注入の条件を場所によって変化させてもよい。
例えば、該イオン注入によって形成された低屈折率媒質からなる周辺部が、中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に屈折率が低くなるように、該イオン注入の条件を変化させてもよい。
これにより、上記の場所に依らず一定の条件でイオン注入するときと比較して、前記二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路のミスマッチを抑制することができる。
このため、前記面発光レーザの特性の向上が期待できる。
これにより、該発光領域の周辺部の該ｐ型ＧａＮからなる層の屈折率を減少させることができ、低屈折率媒質の層が形成されることになる。
ここで、イオン注入する原子は、ボロン（Ｂ）に特に限定されるものではなく、屈折率を減少させることの出来る、たとえばアルミニウム（Ａｌ）であってもよい。
なお、前記イオン注入は、該イオン注入する領域の場所に依らず、一定の条件で行うことに特に限定されるものではなく、該イオン注入の条件を場所によって変化させてもよい。
例えば、該イオン注入によって形成された低屈折率媒質からなる周辺部が、中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に屈折率が低くなるように、該イオン注入の条件を変化させてもよい。
これにより、上記の場所に依らず一定の条件でイオン注入するときと比較して、前記二次元フォトニック結晶１３２を含む導波路のミスマッチを抑制することができる。
このため、前記面発光レーザの特性の向上が期待できる。
［実施例２］
実施例２では、実施例１と異なり、低屈折率媒質を活性層に対して二次元フォトニック結晶の反対側に配置した、二次元フォトニック結晶面発光レーザについて、図５を用いて説明する。
図５において、５００は面発光レーザ、５０１、５０２は電極、５１１は基体およびコンタクト層、５１２は下部クラッド層、５１４は活性層、５１３は二次元フォトニック結晶を含むガイド層である。
５３２は二次元フォトニック結晶、５３１はフォトニック結晶周期構造体、５２１は低屈折率媒質である。
実施例２では、実施例１と異なり、低屈折率媒質を活性層に対して二次元フォトニック結晶の反対側に配置した、二次元フォトニック結晶面発光レーザについて、図５を用いて説明する。
図５において、５００は面発光レーザ、５０１、５０２は電極、５１１は基体およびコンタクト層、５１２は下部クラッド層、５１４は活性層、５１３は二次元フォトニック結晶を含むガイド層である。
５３２は二次元フォトニック結晶、５３１はフォトニック結晶周期構造体、５２１は低屈折率媒質である。
まず、図１に示す実施例１と同様の構成で、下部クラッド層５１２まで形成する。
次に、ｎ型ＧａＮを用いて、実施例１と同様の製造方法で、二次元フォトニック結晶５３２を含むｎ型ガイド層５１３を形成した後、活性層５１４を積層する。該活性層５１４上に、実施例１と同様の製造方法で、開口部を有する低屈折率媒質の層５２１と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層５２２と、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層５２３と、をこの順番で積層する。
続いて、実施例１と同様の構成で、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５４２と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５４３と、ｎ型電極５０１と、ｐ型電極５０２と、を形成し、面発光レーザ５００が完成する。
次に、ｎ型ＧａＮを用いて、実施例１と同様の製造方法で、二次元フォトニック結晶５３２を含むｎ型ガイド層５１３を形成した後、活性層５１４を積層する。該活性層５１４上に、実施例１と同様の製造方法で、開口部を有する低屈折率媒質の層５２１と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層５２２と、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層５２３と、をこの順番で積層する。
続いて、実施例１と同様の構成で、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５４２と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５４３と、ｎ型電極５０１と、ｐ型電極５０２と、を形成し、面発光レーザ５００が完成する。
本実施例では、実施例１と比較して、二次元フォトニック結晶５３２を形成するためのドライエッチング後に、活性層５１４を形成しているため、ドライエッチングによる該活性層５１４へのダメージを抑制することが可能となる。
ここで、本実施例における低屈折率媒質５２１の膜厚は、前記二次元フォトニック結晶５３２への光閉じ込めが大きくなる２０ｎｍが好ましい。
しかし、これに特に限定されるものではなく、２５ｎｍ未満、すなわち、二次元フォトニック結晶５３２を含む導波路において導波モードが形成される範囲の膜厚であればよい。
また、前記低屈折率媒質５２１は、低屈折率媒質からなる周辺部が、中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に厚くなる層構成を備えるように形成された、実施例１と同様の構成にしてもよい。
また、前記低屈折率媒質５２１は、実施例１と同様の製造方法で、イオン注入によって形成してもよい。
ここで、本実施例における低屈折率媒質５２１の膜厚は、前記二次元フォトニック結晶５３２への光閉じ込めが大きくなる２０ｎｍが好ましい。
しかし、これに特に限定されるものではなく、２５ｎｍ未満、すなわち、二次元フォトニック結晶５３２を含む導波路において導波モードが形成される範囲の膜厚であればよい。
また、前記低屈折率媒質５２１は、低屈折率媒質からなる周辺部が、中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に厚くなる層構成を備えるように形成された、実施例１と同様の構成にしてもよい。
また、前記低屈折率媒質５２１は、実施例１と同様の製造方法で、イオン注入によって形成してもよい。
１００：面発光レーザ
１０１，１０２：電極
１１１：下部コンタクト層
１１２：下部クラッド層
１１３：下部光ガイド層
１１４：活性層
１１３，１２２：光ガイド層
１２１：低屈折率媒質
１２３：電子ブロック層
１３１：フォトニック結晶周期構造体
１３２：二次元フォトニック結晶
１４１：二次元フォトニック結晶を含む光ガイド層
１４２：上部クラッド層
１４３：上部コンタクト層
１０１，１０２：電極
１１１：下部コンタクト層
１１２：下部クラッド層
１１３：下部光ガイド層
１１４：活性層
１１３，１２２：光ガイド層
１２１：低屈折率媒質
１２３：電子ブロック層
１３１：フォトニック結晶周期構造体
１３２：二次元フォトニック結晶
１４１：二次元フォトニック結晶を含む光ガイド層
１４２：上部クラッド層
１４３：上部コンタクト層
Claims (8)
- 基板上に、該基板の面に対して垂直方向に、活性層と、フォトニック結晶の構造を有するフォトニック結晶層とが積層された積層構造を備え、
該フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該フォトニック結晶の面に対して垂直方向に光を取り出す二次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記積層構造中に、高屈折率媒質からなる中央部と、該高屈折率媒質よりも屈折率が低い低屈折率媒質からなる周辺部とを備えた屈折率層を有し、
前記積層構造における表面の中央部には、前記活性層にキャリアを注入するための電極が設けられ、
前記屈折率層における低屈折率媒質からなる周辺部が、前記電極と重ならない領域に形成されていることを特徴とする二次元フォトニック結晶面発光レーザ。 - 前記屈折率層が、前記フォトニック結晶層と前記活性層との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
- 前記屈折率層が、前記活性層を挟んで前記二次元フォトニック結晶の反対側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
- 前記電極が、ｐ型電極であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
- 前記屈折率層における低屈折率媒質からなる周辺部が、前記中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に厚くなる層構成を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
- 前記屈折率層における低屈折率媒質からなる周辺部が、前記中央部側から外周部側に向かうに従って徐々に屈折率が低くなる層構成を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
- 前記屈折率層における低屈折率媒質が、絶縁媒質からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
- 前記フォトニック結晶層は、窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
Priority Applications (2)
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