JP5188259B2 - ３次元フォトニック結晶を用いた発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、３次元フォトニック結晶を含み、活性媒質にキャリアを注入することにより発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子に関する。

従来の一般的な半導体発光素子は、電極、クラッド部及び活性部を有する。正孔がP型電極からPクラッド部を通して、また電子がN型電極からNクラッド部を通して活性部に注入される。活性部では両キャリアが結合し、活性部のエネルギギャップに対応したエネルギを有する自然放出光が発せられる。特に、へき界面等により活性部を含むように共振器を形成すると、共振器による光増幅作用によって誘導放出光が発生し、レーザ光が生成される。

ただし、注入されたキャリアは、全て所望の発光に寄与するわけではない。すなわち、表面再結合等の非発光再結合や所望の波長以外の光を発生させる再結合によって消費される。このような再結合は、発光効率を低下させる損失となる。

所望の波長以外の光を発生させる再結合による損失を低減する方法として、フォトニック結晶により自然放出を制御し、高効率な発光を得る方法が非特許文献１にて提案されている。フォトニック結晶とは，波長以下の長さの周期で誘電率分布を形成した構造である。非特許文献１にて提案された方法は、フォトニック結晶が有するフォトニックバンドギャップという性質を用い、活性層近傍に存在可能な光の波長域を制限することにより、所望の波長以外の自然放出光を抑制するものである。このように、自然放出を制御し、高効率な発光を得るためには、誘電率分布を３次元的に形成した３次元フォトニック結晶が望ましい。

３次元フォトニック結晶を用いたレーザ素子の構造が、特許文献１にて開示されている。この特許文献１で開示された構造では、３次元フォトニック結晶中に活性部を形成し、フォトニック結晶の外部に設けられた金属電極からコンタクト層を介してフォトニック結晶中にキャリアを注入する。注入されたキャリアは、フォトニック結晶構造内を伝導し、線欠陥として形成されたキャリア伝導路に接続され、活性部に導かれる。キャリア伝導路は、光導波路を兼ねている。活性部においてキャリア結合により発生した光は、該光導波路を介してフォトニック結晶の外部に取り出される。
特開２００１−２５７４２５号公報 Physical Review Letters、Vol.58、pp.2059、1987年

特許文献１にて開示された構造では、従来の半導体レーザに比べて、共振器の体積が小さい。このため、活性部付近の狭い領域に集中して熱が発生する。これにより、活性部の温度が上昇してキャリアのオーバーフローが起こり、効率の低下を招いていた。活性部分に温度変化が生じると、共振器の光学特性が変化してしまうので、この点からも温度変化が生じることは好ましくない。

また、特許文献１にて開示された構造では、発光素子の外部に光を取り出す導波路を、Pクラッド部及びNクラッド部の双方に設けられているため、高い取り出し効率を得るためには、片側の導波路の端面に反射率の高いミラーを形成する必要がある。しかし、ミラーを配置した方の導波路からの反射光が共振器に戻り、ノイズとなってしまう。

本発明は、３次元フォトニック結晶を用いた発光素子であって、効率及び安定性が高い発光素子を提供する。

本発明の一側面としての発光素子は、３次元フォトニック結晶を有する。該３次元フォトニック結晶は、活性媒質を含む共振器を形成する第１の欠陥部と、該共振器で発生した光を外部に取り出すための導波路を形成する第２の欠陥部と、Ｐ型半導体により形成されたＰクラッド部と、第１のＮ型半導体により形成されたＮクラッド部とを有する。第２の欠陥部は、Ｐクラッド部及びＮクラッド部のうち該Ｎクラッド部にのみ設けられている。そして、第２の欠陥部の少なくとも一部は、第１のＮ型半導体とは異なる第２のＮ型半導体により形成され、外部に熱を放射する放熱手段を構成していることを特徴とする。

本発明によれば、３次元フォトニック結晶を用いた発光素子であって、効率及び安定性が高い発光素子を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である発光素子の実施例１の断面を示している。発光素子１０は、３次元フォトニック結晶２０と、P型電極３０と、N型電極６０と、を有する。３次元フォトニック結晶２０は、Ｐ型半導体により形成されたPクラッド部４０と、第１のＮ型半導体により形成されたNクラッド部５０と、Pクラッド部４０及びNクラッド部５０間に設けられた活性部７０及び絶縁部９０とを有する。また、３次元フォトニック結晶２０内には、共振器１００と導波路８０が形成されている。

共振器１００は、３次元フォトニック結晶２０内に点欠陥部（第１の欠陥部）として設けられている。該共振器１００中には、活性媒質により形成され、キャリア（正孔及び電子）の注入により発光作用を呈する活性部７０が設けられている。活性部７０に注入された正孔と電子が、該活性部７０の内部で結合することで光が発せられる。該活性部７０で発生した光は該共振器１００によって増幅される。

導波路８０は、Nクラッド部５０内に、第２のN型半導体によって形成された線欠陥部（第２の欠陥部）として設けられている。さらに言えば、導波路８０は、Ｐクラッド部４０及びＮクラッド部５０のうち該Ｎクラッド部５０にのみ設けられている。なお、導波路８０は、その全てが第２のＮ型半導体により形成されている必要はなく、少なくとも一部が第２のＮ型半導体により形成されていればよい。

このように形成された導波路８０は、共振器１００から発生する光を外部に取り出すための伝導路して用いられるとともに、活性部７０の近傍で発生した熱を外部に逃がす（放射する）ための放熱構造（放熱手段）としても機能する。ここにいう「外部」とは、３次元フォトニック結晶２０若しくは発光素子１０の外部の意味である。

なお、３次元フォトニック結晶２０の基本構造としては、米国特許５，３３５，２４０号公報及び特開２００５−２９２７８７号公報にて開示された構造等、様々な構造を用いることができる。

また、３次元フォトニック結晶２０を構成する半導体としては、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＴｉＯ_２等を用いることができる。Ｐ型領域（Ｐクラッド部４０）及びＮ型領域（Ｎクラッド部５０）は、適切なドーピングを行うことにより形成される。Ｐ型ドーパントとしては、ＺｎやＭｇ等を用いることができ、Ｎ型ドーパントとしては、ＳｉやＳ等を用いることができる。

半導体としてＴｉＯ_２を用いる場合には、強還元によりＰ型領域を形成する。活性媒質としては、バルクのＩ型半導体や量子井戸、量子ドット等を用いることができる。特に、量子ドットは、温度特性が優れているため、好ましい。

２００はP型電極３０とN型電極６０とに接続され、これらの間に電圧を印加する電圧印加手段としての電気回路である。発光素子１０と電気回路２００によって、発光装置が構成される。このことは、図示はしないが、後述する他の実施例でも同じである。

電気回路２００によってP型電極３０とN型電極６０との間に電圧が印加されることによってP型電極３０から３次元フォトニック結晶２０内に注入された正孔は、Pクラッド部４０を介して活性部７０に導かれる。また、N型電極６０から３次元フォトニック結晶２０内に注入された注入された電子は、Nクラッド部５０を介して活性部７０に導かれる。これにより、活性部７０内で反転分布が形成される。

そして、活性部７０内で，正孔と電子が結合し、活性媒質のエネルギギャップに対応したエネルギを有する自然放出光が発生する。さらに、共振器１００で共振することにより誘導放出が生じて増幅され、レーザ光が発生する。共振器７０で発生したレーザ光は、導波路８０に結合してここを伝導し、外部に射出する。

３次元フォトニック結晶を用いた発光素子では、従来の半導体レーザに比べて、活性部付近の狭い領域に集中して熱が発生するため、効率が低下してしまう。これに対し、本実施例では、Ｎ型半導体で形成された導波路８０をＮクラッド部５０に設け、放熱構造としても使用するため、活性部７０の温度上昇を防ぐことができる。

ここで、前述したように、導波路８０は、Ｎクラッド部５０にのみ設けられ、Pクラッド部４０には設けられていない。

通常、半導体においては、伝導帯の有効質量の方が価電子帯の有効質量よりも小さいため、Ｎ型半導体の方がＰ型半導体よりもキャリア移動度が高い。このため、半導体を用いた発光素子においては、活性部付近では電子が余り、正孔が足りない状態に陥る。これにより、活性部で結合できずに余った電子がP型半導体に漏れて、効率が低下する。

仮にPクラッド部４０に放熱構造を配置した場合、熱とともに正孔が放出されてしまい、活性部７０近傍で電子の余剰と正孔の不足が促進される。一方、Nクラッド部５０に放熱構造を配置した場合、熱とともに放出されるのは電子である。このため、活性部７０の近傍での電子の余剰と正孔の不足が緩和される。

また、Ｎ型半導体の方がＰ型半導体よりも移動度が高く、高濃度ドープも可能なことから、Ｎ型半導体の方がＰ型半導体よりも熱伝導率が高い。したがって、Ｎクラッド部５０に放熱構造を配置した方がＰクラッド部４０に配置するよりも、効率良く活性部７０の近傍の熱を放射することができる。

また、特許文献１にて開示されているように、Pクラッド部とNクラッド部の双方にキャリア伝導路を兼ねた光導波路を配置した場合、熱はキャリア伝導路を通って放射されるものの、電子の余剰と正孔の不足を抑制することはできない。これに加えて、この構造では、光の取り出し効率を高めるためにどちらかの導波路の端面に反射率の高いミラーを配置する必要がある。しかし、端面で反射された光が共振器に戻ってノイズとなるので、好ましくない。

以上のことから、本実施例では、Nクラッド部５０にのみN型半導体により形成された導波路８０を設け、該導波路８０を光導波路として用いるとともに、放熱構造としても用いる。活性部７０の近傍で発生した熱は、図２に点線矢印で示すように、導波路８０を通って外部に放出される。これにより、活性部７０の近傍での電子の余剰と正孔の不足を抑制しつつ、活性部７０の近傍で発生した熱を効率良く放熱することが可能になる。しかも、該導波路８０の端面からの戻り光が発生しないため、高効率で安定性の高い発光素子１０を得ることができる。

導波路８０を形成する第２のＮ型半導体の熱伝導度は、Ｎクラッド部５０を形成する第１のＮ型半導体の熱伝導度よりも高い方が、導波路８０からより効果良く放熱されるために好ましい。熱伝導度を制御する方法としては、例えば、第２のＮ型半導体のドープ濃度を第１のＮ型半導体のドープ濃度よりも高くすればよい。

また、共振器１００は、必ずしも点欠陥部である必要はなく、図３に示すように、線欠陥部で構成されていてもよい。

図３の（Ａ）には、本実施例の変形例としての発光素子１０′の断面を示している。また、図３の（Ｂ）には、（Ａ）に示した発光素子１０′をＡ−Ｂ線で切断したときの断面を示している。１００′は線欠陥部として形成された共振器である。７０′は共振器１００′中に設けられた活性部である。

ただし、線欠陥部よりも体積が小さい点欠陥部で形成した共振器の方が、共振器量子電磁力学（共振器ＱＥＤ）によって所望の波長の自然放出が増強され、閾値の低い発振が可能となるため、好ましい。

また、本実施例の発光素子は、共振器がマルチモードである発光素子であってもよいが、モードホップが生じることを防ぐために共振器が単一モードである方が好ましい。本実施例によって、温度上昇によって共振器の光学特性が変化することを防ぎ、単一モードを保つことができる。

また、本実施例では、共振によって誘導放出を生じさせることでレーザ発振をさせる場合について説明したが、必ずしもレーザ発振をさせる必要はなく、例えば、波長の広がりが小さい高効率な共振器型ＬＥＤに本実施例を適用してもよい。

図４には、本発明の実施例２である発光素子の断面を示している。本実施例の発光素子１１は、実施例１の発光素子１０に対して、以下の点が異なる。また、実施例１の発光素子１０と同じ機能を有する部分については、実施例１と同じ符号を付して説明に代える。

本実施例の発光素子１１では、Pクラッド部４１の一部に、P型半導体よりも電気伝導度の小さい（電気抵抗が大きい）材料で形成された、電流狭窄領域９１が設けられている。Pクラッド部４１に電流狭窄領域９１を設けることで、活性部７０の近傍に正孔を集中させることができ、活性部付近での電子の余剰と正孔の不足をさらに緩和させることができる。

電流狭窄領域９１を高抵抗化するための方法としては、酸化や窒化等を用いることができる。

また、図４では、電流狭窄領域９１をP型電極３０から活性部７０に近づくにつれて幅（断面積）が徐々に広がるように形成した場合を示した。しかし、図５に示すように、P型電極３０から活性部７０の付近まで同一幅を有し、活性部７０の付近が活性部７０までの領域において急激に正孔径路が狭くなるような電流狭窄領域９１を設けてもよい。

図６には、本発明の実施例３である発光素子の断面を示している。本実施例の発光素子１２は、実施例１の発光素子１０に対して、以下の点が異なる。また、実施例１の発光素子１０と同じ機能を有する部分については、実施例１と同じ符号を付して説明に代える。

本実施例の発光素子１２では、導波路８２の出口側の端面（出口側端部）に、板状構造体として形成された伝熱構造体８２１が配置されている。伝熱構造体８２１は、導波路８２の出口側端面に接触するように配置され、さらにＮ型電極６０にも接続されている。

これにより、活性部７０の近傍で発生した熱を、導波路８２及び伝熱構造体８２１を通じてN型電極６０に伝達し、面積の広いN型電極６０から外部に放射することが可能となる。また、伝熱構造体８２１からも熱が外部に放射される。したがって、放熱経路が増え、高効率な放熱が可能となる。

なお、伝熱構造体８２１は、N型半導体で形成されてもよいし、発光波長に対して透明な導電体で形成されてもよい。例えば、発光素子１２から発せられる光が可視域光である場合には、ＩＴＯやＮｂがドープされたＴｉＯ_２等を用いることができる。

また、図７に示すように、伝熱構造体８２１′を絶縁体で形成して、Ｎ型電極６０とＰ型電極３０の両方に接続してもよい。絶縁体の材料としては、格子熱伝導係数の高いダイヤモンド等を用いることができる。

さらに、放熱機能を有する導波路８２を、図８に示すように、出口側端面に向かって断面積が増加するテーパ構造を含む導波路８２２に置き換えてもよい。これにより、導波路８２を伝播する光のモード径を広げることができ、光ファイバ等の外部光学素子との結合効率を高めることができる。しかも、導波路８２２と伝熱構造体８２１との接触面積を広くすることができるので、放熱効率を高めることもできる。

なお、伝熱構造体８２１の光学厚さを、射出光の波長の１／４倍に相当する厚さとすることで、導波路８２２の出口側端面での光学的な反射（射出光の反射）を抑制する膜として形成してもよい。

次に、上記各実施例にて説明した発光素子の製造方法について、図９を用いて説明する。ここでは、３次元フォトニック結晶の構造として、米国特許５，３３５，２４０号公報にて開示されている構造を例として説明する。図９のａ），ｂ），ｃ）における上側の図は上面図であり、下側の図は側面図である。また、図９のｄ），ｅ），ｆ）は上面図である。

ａ）フォトリソグラフィー等によって半導体の周期構造１０１を作製する。

ｂ）周期構造１０１以外の部分を犠牲層１０２で埋め、Chemical Mechanical Polishing（ＣＭＰ）等によって平坦化する。

ｃ）隙間が充填された周期構造１０１上に、ａ），ｂ）の工程を繰り返して各層を積層する。

ｄ）光取り出し導波路を製作する層については、ａ）の工程において、線欠陥部１０３も含めたパターン形成を行う。

ｅ）また、点欠陥部（共振器）を含む層については、一度、点欠陥部１０４以外のパターンを絶縁部１０５で形成する。

ｆ）その後、点欠陥部１０４を例えば電子ビーム照射による誘起化学気相堆積によって形成する。

Ｐクラッド部の一部に電流狭窄領域を形成したい場合は、選択的なアニールや選択的なイオン注入によってこれを形成する。

なお、本実施例では、３次元フォトニック結晶を構成する各層を順次積層する製造方法について説明したが、各層を互いに接合することで３次元フォトニック結晶を製造することもできる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

本発明の実施例１である発光素子の断面図。 実施例１の発光素子での熱の流れを示す図。

実施例１の別の変形例である発光素子の断面図。 本発明の実施例２である発光素子の断面図。 実施例２の変形例である発光素子の断面図。 本発明の実施例３である発光素子の断面図。 実施例３の変形例である発光素子の断面図。 実施例３の別の変形例である発光素子の断面図。 本発明の実施例４である発光素子の製造方法を説明する図。

符号の説明

１０，１１，１２ 発光素子
２０ ３次元フォトニック結晶
３０ Ｐ型電極
４０，４１ Ｐクラッド部
５０ Ｎクラッド部
６０ Ｎ型電極
７０ 活性部
８０，８２，８２２ 導波路
８２１ 伝熱構造体
９０ 絶縁層
９１ 電流狭窄領域
１００ 共振器
１０１ 半導体周期構造
１０２ 犠牲層
１０３ 導波路
１０４ 点欠陥部
１０５ 絶縁部
２００ 電気回路

Claims (6)

1. ３次元フォトニック結晶を用いた発光素子であって、
   該３次元フォトニック結晶は、
   活性媒質を含む共振器を形成する第１の欠陥部と、
   該共振器で発生した光を外部に取り出すための導波路を形成する第２の欠陥部と、
   Ｐ型半導体により形成されたＰクラッド部と、
   第１のＮ型半導体により形成されたＮクラッド部とを有し、
   前記第２の欠陥部は、前記Ｐクラッド部及び前記Ｎクラッド部のうち該Ｎクラッド部にのみ設けられており、
   前記第２の欠陥部の少なくとも一部は、第２のＮ型半導体により形成され、外部に熱を放射する放熱手段を構成していることを特徴とする発光素子。
2. 前記第２のＮ型半導体の熱伝導度が、前記第１のＮ型半導体の熱伝導度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記Pクラッド部に、前記P型半導体よりも電気伝導度が小さい材料により形成された、前記共振器に対する電流狭窄領域が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記第２の欠陥部の出口側端部に、伝熱構造体が配置されており、
   該伝熱構造体が該発光素子の電極に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の発光素子。
5. 前記伝熱構造体は、前記出口側端部での光学的な反射を抑制する膜として形成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
6. 前記第２の欠陥部が、前記出口側端部に向かって断面積が増加するテーパ構造を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の発光素子。