JP5288893B2 - 面発光レーザ - Google Patents
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Description
本発明は、面発光レーザに関するものである。
近年、面発光レーザが盛んに研究されている。面発光レーザは、集積化アレイ化が容易、外部光学系との結合効率が優れているなどの利点があり、通信、電子写真、センシングなどの分野に応用が期待されている。
特に、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
特に、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
面発光レーザにはいくつかの種類が存在するが、その中の一つとして、基板に平行な方向に光を共振させ、発振したレーザ光を、基板に垂直方向に回折させて取り出すことで面発光機能を持たせるレーザ素子がある。
これは、レーザの形式としては、現在世の中で広く用いられているＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザの一形態である。
これは、レーザの形式としては、現在世の中で広く用いられているＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザの一形態である。
特許文献１には、このような面発光レーザとして、２次元フォトニック結晶の回折効果を用いたレーザ素子（半導体発光デバイス）およびその製造法が開示されている。
このレーザ素子においては、半導体レーザの活性層の近傍にフォトニック結晶を導入し、活性層内部で発光した光をフォトニック結晶の２次回折効果により面内方向で発振させる。
そして、発振したレーザ光を、同一フォトニック結晶の１次回折により、面垂直方向に取り出す。
特開２０００―３３２３５１号公報
このレーザ素子においては、半導体レーザの活性層の近傍にフォトニック結晶を導入し、活性層内部で発光した光をフォトニック結晶の２次回折効果により面内方向で発振させる。
そして、発振したレーザ光を、同一フォトニック結晶の１次回折により、面垂直方向に取り出す。
しかしながら、上記した従来例のような面発光レーザにおいては、低閾値化の観点から、更なる性能向上が望まれている。
本発明は、上記課題に鑑み、従来例よりも低閾値で動作することが可能となる面発光レーザを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題に鑑み、従来例よりも低閾値で動作することが可能となる面発光レーザを提供することを目的とする。
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、活性層を備えた導波路層と、
前記活性層からの光を面内方向で共振させる位置に配置された屈折率周期構造と、を有する面発光レーザであって、
前記屈折率周期構造が、前記活性層側に設けられている低屈折率媒質と高屈折率媒質とからなる第１の屈折率周期構造層と、該第１の屈折率周期構造層上に積層された低屈折率媒質と高屈折率媒質とからなる第２の屈折率周期構造層とを備え、
前記第２の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質の体積分率が、前記第１の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質よりも大きい体積分率を有し、 前記第１の屈折率周期構造層における屈折率周期構造が２次元周期構造であり、
前記第２の屈折率周期構造層における屈折率周期構造がストライプ状の１次元周期構造であり、
前記第２の屈折率周期構造層に隣接して、電極が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の屈折率周期構造層における屈折率周期構造を構成するパターンが正方格子状であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の屈折率周期構造層を構成する低屈折率媒質としての気体媒質の体積分率が１６％以上であり、
前記第２の屈折率周期構造層を構成する低屈折率媒質としての気体媒質の体積分率が５２％より大きく９７％以下であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記電極が、前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質の全部と、前記第２の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質の一部に隣接して、形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記電極が、前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質の上に形成されており、
前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質のパターンと、前記電極のパターンとが、同一のパターンであることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質が、環状形状であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第２の屈折率周期構造層における周期構造の周期が、不規則にずれて構成されていることを特徴とする。
本発明の面発光レーザは、活性層を備えた導波路層と、
前記活性層からの光を面内方向で共振させる位置に配置された屈折率周期構造と、を有する面発光レーザであって、
前記屈折率周期構造が、前記活性層側に設けられている低屈折率媒質と高屈折率媒質とからなる第１の屈折率周期構造層と、該第１の屈折率周期構造層上に積層された低屈折率媒質と高屈折率媒質とからなる第２の屈折率周期構造層とを備え、
前記第２の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質の体積分率が、前記第１の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質よりも大きい体積分率を有し、 前記第１の屈折率周期構造層における屈折率周期構造が２次元周期構造であり、
前記第２の屈折率周期構造層における屈折率周期構造がストライプ状の１次元周期構造であり、
前記第２の屈折率周期構造層に隣接して、電極が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の屈折率周期構造層における屈折率周期構造を構成するパターンが正方格子状であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の屈折率周期構造層を構成する低屈折率媒質としての気体媒質の体積分率が１６％以上であり、
前記第２の屈折率周期構造層を構成する低屈折率媒質としての気体媒質の体積分率が５２％より大きく９７％以下であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記電極が、前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質の全部と、前記第２の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質の一部に隣接して、形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記電極が、前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質の上に形成されており、
前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質のパターンと、前記電極のパターンとが、同一のパターンであることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質が、環状形状であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第２の屈折率周期構造層における周期構造の周期が、不規則にずれて構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、従来例よりも低閾値で動作することが可能となる面発光レーザを実現することができる。
本発明の実施形態における活性層を備えた導波路層と、前記活性層からの光と結合する位置に設けられた屈折率周期構造と、を有する面発光レーザについて、図を用いて説明する。
図１に、本実施形態の面発光レーザにおける素子構造の全体構成を説明する断面図を示す。
図１において、１０１は基板、１０２はクラッド層、１０３は下部導波路層、１０４は活性層、１０５は上部導波路層、１０６は導波路層である。
１０７は第１の屈折率周期構造層である下部屈折率周期構造層、１０８は第２の屈折率周期構造層である上部屈折率周期構造層、１０９は屈折率周期構造層である。
１１０は下層高屈折率媒質、１１１は下層低屈折率媒質、１１２は上層高屈折率媒質、１１３は上層低屈折率媒質である。
１１４は下部電極、１１５は上部電極である。
図１に、本実施形態の面発光レーザにおける素子構造の全体構成を説明する断面図を示す。
図１において、１０１は基板、１０２はクラッド層、１０３は下部導波路層、１０４は活性層、１０５は上部導波路層、１０６は導波路層である。
１０７は第１の屈折率周期構造層である下部屈折率周期構造層、１０８は第２の屈折率周期構造層である上部屈折率周期構造層、１０９は屈折率周期構造層である。
１１０は下層高屈折率媒質、１１１は下層低屈折率媒質、１１２は上層高屈折率媒質、１１３は上層低屈折率媒質である。
１１４は下部電極、１１５は上部電極である。
本実施形態の面発光レーザは、基板１０１の上にクラッド層１０２が設けられ、更にその上に、下部導波路層１０３と上部導波路層１０５との間に活性層１０４を挟持して構成された導波路層１０６が設けられている。
この導波路層１０６上には屈折率周期構造が設けられており、この屈折率周期構造は活性層側に設けられている第１の屈折率周期構造層と該第１の屈折率周期構造層上に積層された第２の屈折率周期構造層とによって構成されている。
具体的には、上部導波路層１０５の上に、高屈折率媒質と低屈折率媒質よりなる下部屈折率周期構造層（第１の屈折率周期構造層）１０７と、上部屈折率周期構造層（第２の屈折率周期構造層）１０８によって構成された屈折率周期構造層１０９が設けられている。
さらに、上記の下部屈折率周期構造層１０７は下層高屈折率媒質１１０および下層低屈折率媒質１１１により形成され、上部屈折率周期構造層１０８は上層高屈折率媒質１１２および上層低屈折率媒質１１３により形成されている。
下部電極１１４と上部電極１１５はそれぞれ基板１０１の裏面、上部屈折率周期構造層１０８の上層に設けられている。
この導波路層１０６上には屈折率周期構造が設けられており、この屈折率周期構造は活性層側に設けられている第１の屈折率周期構造層と該第１の屈折率周期構造層上に積層された第２の屈折率周期構造層とによって構成されている。
具体的には、上部導波路層１０５の上に、高屈折率媒質と低屈折率媒質よりなる下部屈折率周期構造層（第１の屈折率周期構造層）１０７と、上部屈折率周期構造層（第２の屈折率周期構造層）１０８によって構成された屈折率周期構造層１０９が設けられている。
さらに、上記の下部屈折率周期構造層１０７は下層高屈折率媒質１１０および下層低屈折率媒質１１１により形成され、上部屈折率周期構造層１０８は上層高屈折率媒質１１２および上層低屈折率媒質１１３により形成されている。
下部電極１１４と上部電極１１５はそれぞれ基板１０１の裏面、上部屈折率周期構造層１０８の上層に設けられている。
つぎに、本実施の形態における、屈折率周期構造層１０９の機能について説明する。
屈折率周期構造層１０９は高屈折率媒質と低屈折率媒質が交互に周期構造を形成している。
このような屈折率周期構造層は、例えば、フォトニック結晶などを用いて構成することができる。
本実施形態における面発光レーザにおいては、屈折率周期構造層１０９は、活性層からの発光を面内方向にフィードバックし、さらに発振した光を上方に回折することにより面発光する。
屈折率周期構造層１０９は高屈折率媒質と低屈折率媒質が交互に周期構造を形成している。
このような屈折率周期構造層は、例えば、フォトニック結晶などを用いて構成することができる。
本実施形態における面発光レーザにおいては、屈折率周期構造層１０９は、活性層からの発光を面内方向にフィードバックし、さらに発振した光を上方に回折することにより面発光する。
本実施形態の面発光レーザにおける屈折率周期構造層１０９では、上部屈折率周期構造層１０８における低屈折率媒質の体積分率が、下部屈折率周期構造層１０７における低屈折率媒質よりも大きい体積分率を有する構成とされている。
このような構成を備えた屈折率周期構造層１０９では、レーザのフィードバック機能をメインに持つのは下部屈折率周期構造層１０７であり、上部屈折率周期構造層１０８は、低屈折率媒質の割合が大きいため、光を閉じ込めるための閉じ込め層の機能を有している。
このように上部と下部の屈折率周期構造層の機能を分離することで、下部屈折率周期構造層によるフィードバック効果を高めながら、上部屈折率周期構造層による閉じ込めで光を電極に吸収させないようにすることができる。
これにより、素子の閾値を下げることが可能となる。
さらに、上部屈折率周期構造層を１００〜２００ｎｍ程度に薄くすることが可能なため、貼りあわせなどを用いず素子を一括で作成することが可能となる。
このような構成を備えた屈折率周期構造層１０９では、レーザのフィードバック機能をメインに持つのは下部屈折率周期構造層１０７であり、上部屈折率周期構造層１０８は、低屈折率媒質の割合が大きいため、光を閉じ込めるための閉じ込め層の機能を有している。
このように上部と下部の屈折率周期構造層の機能を分離することで、下部屈折率周期構造層によるフィードバック効果を高めながら、上部屈折率周期構造層による閉じ込めで光を電極に吸収させないようにすることができる。
これにより、素子の閾値を下げることが可能となる。
さらに、上部屈折率周期構造層を１００〜２００ｎｍ程度に薄くすることが可能なため、貼りあわせなどを用いず素子を一括で作成することが可能となる。
図９に、本実施形態の面発光レーザにおける上部屈折率周期構造層の空孔部の体積分率を下部屈折率周期構造層に比べて等しくした時と大きくした時とで、共振光の電極による吸収率を比較するグラフを示す。
図９では、格子定数ａ、屈折率周期構造の厚さを固定し、横軸で上部屈折率周期構造層の半径を変化させ、共振光の上部電極１１５による吸収率を見たものである。
上部屈折率周期構造層の低屈折率媒質の体積分率が下層と同じときと、下部屈折率周期構造層よりも大きいときとの両方の結果を示すが、この図９によれば上部屈折率周期構造層の体積分率が大きい時の方が吸収率が小さくなることが分かる。
図９では、格子定数ａ、屈折率周期構造の厚さを固定し、横軸で上部屈折率周期構造層の半径を変化させ、共振光の上部電極１１５による吸収率を見たものである。
上部屈折率周期構造層の低屈折率媒質の体積分率が下層と同じときと、下部屈折率周期構造層よりも大きいときとの両方の結果を示すが、この図９によれば上部屈折率周期構造層の体積分率が大きい時の方が吸収率が小さくなることが分かる。
屈折率周期構造層１０９は、屈折率のコントラストが大きい方が好ましいため、例えば、高屈折率の半導体材料に空孔を設けた構成などが好ましい。
このとき下部屈折率周期構造層１０７は、フォトニック結晶に共振光を大きく染み出させフィードバック効果を高めるため、空孔の大きさはある程度小さい方がよい。しかしながら、あまりに小さくし過ぎると、作製も困難になり、フィードバック効果も下がってしまうことになるため、そこには一定の好ましい範囲がある。
具体的には、周期構造の周期をａとした時、半径ｒでおよそ０．１３ａ〜０．２８ａの範囲内（低屈折率媒質の体積分率にして５％〜２５％程度）とすることが好ましい。
また、低屈折率媒質が導電性の固体の場合は電流注入の経路が広くなるため、電流注入の観点からは好ましい。これらは後述するように、電極の構造にも依存する。
このとき下部屈折率周期構造層１０７は、フォトニック結晶に共振光を大きく染み出させフィードバック効果を高めるため、空孔の大きさはある程度小さい方がよい。しかしながら、あまりに小さくし過ぎると、作製も困難になり、フィードバック効果も下がってしまうことになるため、そこには一定の好ましい範囲がある。
具体的には、周期構造の周期をａとした時、半径ｒでおよそ０．１３ａ〜０．２８ａの範囲内（低屈折率媒質の体積分率にして５％〜２５％程度）とすることが好ましい。
また、低屈折率媒質が導電性の固体の場合は電流注入の経路が広くなるため、電流注入の観点からは好ましい。これらは後述するように、電極の構造にも依存する。
上部屈折率周期構造層１０８においては、本発明の効果を得るためには、少なくとも低屈折率媒質の体積分率が、下部屈折率周期構造層１０７よりも大きいことが必要がある。
また、本実施形態においては、屈折率周期構造層の説明において、便宜上、周期構造の周期が一定のものについて説明したが、必ずしも周期構造の周期が一定である必要はない。
例えば、上部屈折率周期構造層１０８における周期構造の周期がランダム（不規則）にずれて構成されていてもよく、このような構造とした場合にはプロセスの制約などを緩和することができる点において好ましい。
また、本実施形態においては、屈折率周期構造層の説明において、便宜上、周期構造の周期が一定のものについて説明したが、必ずしも周期構造の周期が一定である必要はない。
例えば、上部屈折率周期構造層１０８における周期構造の周期がランダム（不規則）にずれて構成されていてもよく、このような構造とした場合にはプロセスの制約などを緩和することができる点において好ましい。
また、下部、上部屈折率周期構造の周期構造の配列は、対称性、周期などで必ずしも同じでなくともよい。
例えば、下部屈折率周期構造層（第１の屈折率周期構造層）における屈折率周期構造を、図２（ａ）、（ｃ）のように、該屈折率周期構造を構成するパターンを正方格子状に配列した２次元周期構造とする。
一方、上部屈折率周期構造層（第２の屈折率周期構造層）における屈折率周期構造を、図２（ｂ）のように、該屈折率周期構造を構成するパターンをストライプ状として１次元周期構造とすることも可能である。
これらの構成例については、後の実施例２で説明する。
また、格子点およびストライプラインの形状もそれぞれ違っていてもよい。
例えば、下部屈折率周期構造、上部屈折率周期構造ともに２次元の正方格子とし、下部屈折率周期構造の格子点形状を図２（ａ）のような円形に、上部周期構造の格子点形状を図２（ｃ）のような正方形とすることも可能である。
例えば、下部屈折率周期構造層（第１の屈折率周期構造層）における屈折率周期構造を、図２（ａ）、（ｃ）のように、該屈折率周期構造を構成するパターンを正方格子状に配列した２次元周期構造とする。
一方、上部屈折率周期構造層（第２の屈折率周期構造層）における屈折率周期構造を、図２（ｂ）のように、該屈折率周期構造を構成するパターンをストライプ状として１次元周期構造とすることも可能である。
これらの構成例については、後の実施例２で説明する。
また、格子点およびストライプラインの形状もそれぞれ違っていてもよい。
例えば、下部屈折率周期構造、上部屈折率周期構造ともに２次元の正方格子とし、下部屈折率周期構造の格子点形状を図２（ａ）のような円形に、上部周期構造の格子点形状を図２（ｃ）のような正方形とすることも可能である。
さらに、本実施形態においては、２次元の屈折率周期構造は正方格子のものについて説明したが、これらに限られるものではない。
例えば、長方格子、三角格子、円対称格子、準結晶などの対称性を用いることも可能である。格子点形状も円形、正方形のみ紹介したが、その他、楕円形、三角形、長方形、環状形状、十字形状など、様々な形状の格子点を用いることができる。
なお、格子点が環状形状の場合については、実施例３にて説明する。
また、上層、下層ともに１次元の周期構造を用いることも可能である。
例えば、長方格子、三角格子、円対称格子、準結晶などの対称性を用いることも可能である。格子点形状も円形、正方形のみ紹介したが、その他、楕円形、三角形、長方形、環状形状、十字形状など、様々な形状の格子点を用いることができる。
なお、格子点が環状形状の場合については、実施例３にて説明する。
また、上層、下層ともに１次元の周期構造を用いることも可能である。
屈折率周期構造層１０９を構成するフォトニック結晶の材料としては、光損失の少ない半導体材料や、酸化物透明導電媒質などを用いることができる。
本実施形態においては、周期構造を通して電流を注入するため、材料は導電性を有する必要がある。
半導体材料としては、キャリアドープされたＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。
また、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶、Ｓｉ、ＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。さらに、各種の有機半導体なども使用可能である。
酸化物透明導電媒質としてはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘａｉｄｅ）ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3などがある。
上部および下部の屈折率周期構造層における低屈折率媒質は固体でも空気でも良いが、固体の場合は電流注入の経路が広くなるため好ましい。これらは後述するように、電極の構造にも依存する。
本実施形態においては、周期構造を通して電流を注入するため、材料は導電性を有する必要がある。
半導体材料としては、キャリアドープされたＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。
また、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶、Ｓｉ、ＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。さらに、各種の有機半導体なども使用可能である。
酸化物透明導電媒質としてはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘａｉｄｅ）ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3などがある。
上部および下部の屈折率周期構造層における低屈折率媒質は固体でも空気でも良いが、固体の場合は電流注入の経路が広くなるため好ましい。これらは後述するように、電極の構造にも依存する。
つぎに、本実施形態における活性層、導波路層、クラッド層、等について説明する。
活性層１０４には量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを用いることができる。
また、クラッド層１０２は、導波路層１０６に対して屈折率が低くなっていることが必要である。
また、本実施形態には記載していないが、クラッド層１０２、導波路層１０６のいずれかの層に、水蒸気酸化やイオン注入による電流狭窄層や、キャリアの漏れを抑えるキャリアブロック層を設けることも可能である。
活性層、クラッド層に用いることのできる材料は半導体であり、上述したようなフォトニック結晶に用いることのできる半導体材料は全て使用することができる。
クラッド層１０２および導波路層１０６の一部は、ｎまたはｐのキャリアがドープされている。
活性層１０４には量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを用いることができる。
また、クラッド層１０２は、導波路層１０６に対して屈折率が低くなっていることが必要である。
また、本実施形態には記載していないが、クラッド層１０２、導波路層１０６のいずれかの層に、水蒸気酸化やイオン注入による電流狭窄層や、キャリアの漏れを抑えるキャリアブロック層を設けることも可能である。
活性層、クラッド層に用いることのできる材料は半導体であり、上述したようなフォトニック結晶に用いることのできる半導体材料は全て使用することができる。
クラッド層１０２および導波路層１０６の一部は、ｎまたはｐのキャリアがドープされている。
つぎに、本実施形態における電流注入方法について説明する。
本実施形態における面発光レーザは、下部電極１１４、上部電極１１５を、ｐ電極またはｎ電極とし（逆でも可）、電極からの電流注入により駆動させることができる。
電極を構成する材料としては、従来の半導体レーザプロセスなどで用いられている材料をはじめとし、あらゆる金属材料を用いることが可能である。
特に、半導体材料に関しては、従来の半導体レーザプロセスにおいて、半導体材料に応じて使用できる電極材料がほぼ決まっており、電極を形成する技術はほとんど確立されているため、それに従えばよい。
例えば、ＧａＡｓのｎ電極には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｇｅ−Ｐｔ、ｐ電極にはＡｇ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｎなどの材料が用いられる。
また、金属以外にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＩｎＯ2などの、導電性を有する透明酸化物材料などを電極に用いることも可能である。
本実施形態における面発光レーザは、下部電極１１４、上部電極１１５を、ｐ電極またはｎ電極とし（逆でも可）、電極からの電流注入により駆動させることができる。
電極を構成する材料としては、従来の半導体レーザプロセスなどで用いられている材料をはじめとし、あらゆる金属材料を用いることが可能である。
特に、半導体材料に関しては、従来の半導体レーザプロセスにおいて、半導体材料に応じて使用できる電極材料がほぼ決まっており、電極を形成する技術はほとんど確立されているため、それに従えばよい。
例えば、ＧａＡｓのｎ電極には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｇｅ−Ｐｔ、ｐ電極にはＡｇ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｎなどの材料が用いられる。
また、金属以外にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＩｎＯ2などの、導電性を有する透明酸化物材料などを電極に用いることも可能である。
つぎに、本実施形態における電極パターンと光取り出し方法について説明する。
本実施形態においては、上部屈折率周期構造層に隣接して形成された電極が、上部屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質のパターンと同一のパターンにパターニングされているが、このような構成に限定されるものではない。
例えば、電極方向に光を取り出す構成になっているが、パターニングしない平板状の電極を設けることも可能である。
このような電極においては、特に上部屈折率周期構造層の低屈折率媒質が導電性のある固体媒質で構成されているような場合、電極の接触面積が広くなることで電気抵抗が低くなり好ましい。
但し、このような電極の場合、吸収により出射光を電極方向から取り出すことは出来ないため、基板方向から取り出すことになる。このとき基板は出射光を吸収しないことが必要である。
また、出射光を吸収する場合も、出射部の基板を裏抜きするなどして吸収を減らすことで、裏面より出射光を取り出すことができる。
さらに、この電極とフォトニック結晶層との距離を調整することで、電極方向に出射する光を適当な位相で返すようにすることで、さらに閾値を下げることもできる。
本実施形態においては、上部屈折率周期構造層に隣接して形成された電極が、上部屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質のパターンと同一のパターンにパターニングされているが、このような構成に限定されるものではない。
例えば、電極方向に光を取り出す構成になっているが、パターニングしない平板状の電極を設けることも可能である。
このような電極においては、特に上部屈折率周期構造層の低屈折率媒質が導電性のある固体媒質で構成されているような場合、電極の接触面積が広くなることで電気抵抗が低くなり好ましい。
但し、このような電極の場合、吸収により出射光を電極方向から取り出すことは出来ないため、基板方向から取り出すことになる。このとき基板は出射光を吸収しないことが必要である。
また、出射光を吸収する場合も、出射部の基板を裏抜きするなどして吸収を減らすことで、裏面より出射光を取り出すことができる。
さらに、この電極とフォトニック結晶層との距離を調整することで、電極方向に出射する光を適当な位相で返すようにすることで、さらに閾値を下げることもできる。
以下に、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、本発明を適用した面発光レーザの構成例について説明する。
図３に、本実施例における面発光レーザの構成例を説明する模式図を示す。
図３（ａ）は面発光レーザ全体の斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す面発光レーザをａ−ａ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示す面発光レーザをｚ方向よりみた模式的平面図である。図３において、３０１は基板、３０２はクラッド層、３０３は下部導波路層、３０４は活性層、３０５は上部導波路層である。
３０７は下部フォトニック結晶層、３０８は上部フォトニック結晶層、３０９はフォトニック結晶層、３１１は下層フォトニック結晶層空孔、３１３は上層フォトニック結晶層空孔、３１４はｎ電極、３１５はｐ電極である。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した面発光レーザの構成例について説明する。
図３に、本実施例における面発光レーザの構成例を説明する模式図を示す。
図３（ａ）は面発光レーザ全体の斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す面発光レーザをａ−ａ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示す面発光レーザをｚ方向よりみた模式的平面図である。図３において、３０１は基板、３０２はクラッド層、３０３は下部導波路層、３０４は活性層、３０５は上部導波路層である。
３０７は下部フォトニック結晶層、３０８は上部フォトニック結晶層、３０９はフォトニック結晶層、３１１は下層フォトニック結晶層空孔、３１３は上層フォトニック結晶層空孔、３１４はｎ電極、３１５はｐ電極である。
本実施例における面発光レーザは、図３（ａ）に示すように、基板３０１上に、まず厚さ１μｍのクラッド層３０２が積層されている。
さらに、下部導波路層３０３が厚さ１００μｍ、活性層３０４が厚さ２４ｎｍ、上部導波路層３０５が厚さ１００ｎｍで積層されている。
さらに、上部導波路層３０５の上に、フォトニック結晶層３０９を厚さ２００ｎｍの順番に積層した構造を有している。
基板裏面３０１、フォトニック結晶層３０９の上層にはそれぞれｎ電極３１４、ｐ電極３１５が設けられている。ｐ電極の方は上部フォトニック結晶層と同様にパターニングされている。
さらに、下部導波路層３０３が厚さ１００μｍ、活性層３０４が厚さ２４ｎｍ、上部導波路層３０５が厚さ１００ｎｍで積層されている。
さらに、上部導波路層３０５の上に、フォトニック結晶層３０９を厚さ２００ｎｍの順番に積層した構造を有している。
基板裏面３０１、フォトニック結晶層３０９の上層にはそれぞれｎ電極３１４、ｐ電極３１５が設けられている。ｐ電極の方は上部フォトニック結晶層と同様にパターニングされている。
図３（ｂ）に示すように、フォトニック結晶層３０９は下部フォトニック結晶層３０７、上部フォトニック結晶層３０８の２層に分かれており、フォトニック結晶の空孔部の体積分率について、上層空孔３１３が下層空孔３１１よりも大きくなっている。
フォトニック結晶は個体媒質に空孔を導入した構成であり、上部下部とも格子形状は円形、配置は正方格子状となっている。
図３（ｃ）の平面図には、上部、下部結晶層の空孔部が図示されており、上部層の方が空孔径が大きくなっている。
なお、図３（ｃ）における空孔数は、図３（ａ）と異なっているが、これも図示の際の便宜上の理由のみで、実際の空孔数は両者等しくなっている。
フォトニック結晶は個体媒質に空孔を導入した構成であり、上部下部とも格子形状は円形、配置は正方格子状となっている。
図３（ｃ）の平面図には、上部、下部結晶層の空孔部が図示されており、上部層の方が空孔径が大きくなっている。
なお、図３（ｃ）における空孔数は、図３（ａ）と異なっているが、これも図示の際の便宜上の理由のみで、実際の空孔数は両者等しくなっている。
本実施例の面発光レーザ素子を構成する材料はＧａＮ系半導体である。
基板３０１はＧａＮ、クラッド層３０２はＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎで構成され、下部導波路層３０３、上部導波路層３０５はＧａＮ、フォトニック結晶層３０９はそれぞれＡｌ0.07ＧａＮである。
活性層はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸構造であり、それぞれ層厚３ｎｍ／７．５ｎｍのものが３層、２層ずつで構成されている。
電極はｎ電極３１４、ｐ電極３１５の順番に、それぞれＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕとなっている。基板、クラッド層はｎ型に、フォトニック結晶層はｐ型にドーピングされている。
基板３０１はＧａＮ、クラッド層３０２はＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎで構成され、下部導波路層３０３、上部導波路層３０５はＧａＮ、フォトニック結晶層３０９はそれぞれＡｌ0.07ＧａＮである。
活性層はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸構造であり、それぞれ層厚３ｎｍ／７．５ｎｍのものが３層、２層ずつで構成されている。
電極はｎ電極３１４、ｐ電極３１５の順番に、それぞれＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕとなっている。基板、クラッド層はｎ型に、フォトニック結晶層はｐ型にドーピングされている。
つぎに、共振器ミラーとなるフォトニック結晶部に関して説明する。
フォトニック結晶部は２層構成となっており、結晶の周期は１７０ｎｍ、周期数は３００（図３には全部は図示されていない）、フォトニック結晶部の面積は凡そ５１μｍで、以上のパラメータは上部、下部フォトニック結晶層ともに共通である。
孔半径は、上部フォトニック結晶層が７０ｎｍ、下部フォトニック結晶層が４３ｎｍである。
厚さは、上部フォトニック結晶層が６５ｎｍ、下部フォトニック結晶層が１３５ｎｍである。
本発明の実施形態において説明したとおり、下部フォトニック結晶層は主に光のフィードバックを担うため、波長、閾値などのレーザ発振特性はほぼこのフォトニック結晶の特性で決定する。
また、上部フォトニック結晶層は主に光の閉じ込め層として機能しているため、この層の存在により、共振光は電極でほとんど吸収されない。本実施例においては、電流注入により波長４２０ｎｍ付近で発振する。
フォトニック結晶部は２層構成となっており、結晶の周期は１７０ｎｍ、周期数は３００（図３には全部は図示されていない）、フォトニック結晶部の面積は凡そ５１μｍで、以上のパラメータは上部、下部フォトニック結晶層ともに共通である。
孔半径は、上部フォトニック結晶層が７０ｎｍ、下部フォトニック結晶層が４３ｎｍである。
厚さは、上部フォトニック結晶層が６５ｎｍ、下部フォトニック結晶層が１３５ｎｍである。
本発明の実施形態において説明したとおり、下部フォトニック結晶層は主に光のフィードバックを担うため、波長、閾値などのレーザ発振特性はほぼこのフォトニック結晶の特性で決定する。
また、上部フォトニック結晶層は主に光の閉じ込め層として機能しているため、この層の存在により、共振光は電極でほとんど吸収されない。本実施例においては、電流注入により波長４２０ｎｍ付近で発振する。
次に、本実施例における面発光レーザ素子の作製方法について説明する。
本実施例のレーザ素子は、結晶成長プロセス、フォトリソグラフィー、ＥＢリソグラフィーなどのリソグラフィープロセス、リフトオフプロセス、等を用いて製造することができる。
また、ウェット・ドライエッチングなどのエッチングプロセス・選択エッチングプロセス、蒸着・スパッタリングなどの電極形成プロセス、等を用いて製造することができる。
ここで、２段のフォトニック結晶部のみ、作製プロセスについて詳しく説明する。まず、フォトニック結晶層の上部にレジストを塗布しＥＢリソでパターニングする。
その上にｐ電極を形成し、さらにＳｉＮのマスクを形成し、電極下のレジストをアセトンで溶かすことで電極をリフトオフして上層空孔のみが形成された電極パターンとする。
再度、レジストを塗布し、レジストをパターニングした後ドライエッチングにより転写し、下部フォトニック結晶層まで空孔を形成する。これが孔径の小さい下層空孔となる。
その後ＳｉＮが乗った電極そのものをマスクとし、上部空孔を形成する。本実施例では、電極にＳｉＮ層を設けマスクとしたが、これを形成せず、電極そのものをマスクとして作製することも可能である。
本実施例のレーザ素子は、結晶成長プロセス、フォトリソグラフィー、ＥＢリソグラフィーなどのリソグラフィープロセス、リフトオフプロセス、等を用いて製造することができる。
また、ウェット・ドライエッチングなどのエッチングプロセス・選択エッチングプロセス、蒸着・スパッタリングなどの電極形成プロセス、等を用いて製造することができる。
ここで、２段のフォトニック結晶部のみ、作製プロセスについて詳しく説明する。まず、フォトニック結晶層の上部にレジストを塗布しＥＢリソでパターニングする。
その上にｐ電極を形成し、さらにＳｉＮのマスクを形成し、電極下のレジストをアセトンで溶かすことで電極をリフトオフして上層空孔のみが形成された電極パターンとする。
再度、レジストを塗布し、レジストをパターニングした後ドライエッチングにより転写し、下部フォトニック結晶層まで空孔を形成する。これが孔径の小さい下層空孔となる。
その後ＳｉＮが乗った電極そのものをマスクとし、上部空孔を形成する。本実施例では、電極にＳｉＮ層を設けマスクとしたが、これを形成せず、電極そのものをマスクとして作製することも可能である。
さらに、プロセスの過程において、上部空孔をウエットエッチングで形成することも可能である。この時、ウエットエッチングの等方性により、上部フォトニック結晶の穴が、電極直下まで広がることが予想される。
図１０は、上部フォトニック結晶層における高屈折率媒質の全部と、上部フォトニック結晶層における低屈折率媒質の一部の上に形成され、上部フォトニック結晶層の空孔が電極に設けられた空孔よりも大きい時の素子の様子を示す模式的断面図である。
図１０に示されるように、図３（ｂ）の素子をウエットエッチングで作製した場合の模式断面図であるが、電極９１５の下部まで上層空孔９１３が広がっている。
このような場合、ドライエッチングで上部フォトニック結晶を形成するよりも、広い穴を作ることができ、従って体積分率もより下がることになり好ましい。しかし、等方性であるが故に、フォトニック結晶の側壁の垂直性は損なわれる傾向にある。
図１０は、上部フォトニック結晶層における高屈折率媒質の全部と、上部フォトニック結晶層における低屈折率媒質の一部の上に形成され、上部フォトニック結晶層の空孔が電極に設けられた空孔よりも大きい時の素子の様子を示す模式的断面図である。
図１０に示されるように、図３（ｂ）の素子をウエットエッチングで作製した場合の模式断面図であるが、電極９１５の下部まで上層空孔９１３が広がっている。
このような場合、ドライエッチングで上部フォトニック結晶を形成するよりも、広い穴を作ることができ、従って体積分率もより下がることになり好ましい。しかし、等方性であるが故に、フォトニック結晶の側壁の垂直性は損なわれる傾向にある。
本実施例においては、レーザ素子全体の材料はＧａＮ、ＡｌＧａＮ系のものを用いたが、上記本発明の実施形態において述べたような、フォトニック結晶層、活性層、クラッド層などの材料は全て適用することが可能である。電極の材料に関しても同様である。
また、本実施例においては、電極は上部フォトニック結晶層と同様にパターニングした構造となっているが、上記本発明の実施形態において述べたように、パターニングしない平板状の電極を設けることも可能である。
このときは、フォトニック結晶をパターニングした後、平板上の電極を形成するか、電極を形成したフォトニック結晶を平板電極にボンディングする等して作製する。
また、電極の種類もｐとｎを入れ替えることもできる。このときは結晶のドーピングが本実施例と逆転する。
また、本実施例においては、電極は上部フォトニック結晶層と同様にパターニングした構造となっているが、上記本発明の実施形態において述べたように、パターニングしない平板状の電極を設けることも可能である。
このときは、フォトニック結晶をパターニングした後、平板上の電極を形成するか、電極を形成したフォトニック結晶を平板電極にボンディングする等して作製する。
また、電極の種類もｐとｎを入れ替えることもできる。このときは結晶のドーピングが本実施例と逆転する。
さらに、フォトニック結晶の種類や格子点の配置、形状に関しても上記本実施形態において述べたようなものはすべてを用いることができる。
また、同じく上記本発明の実施形態において述べたように、上部フォトニック結晶層においては、必ずしも周期構造である必要もない。
また、周期構造である場合でも、必ずしも下部フォトニック結晶層と周期を同一にする必要はない。
また、導波路の厚さ、フォトニック結晶のパラメータを用いることも可能である。例えば、導波路厚さを厚くすると、高次の導波モードが表れるが、それらを用いることも出来る。本実施例では、０次の同波モードを用いている。
また、フォトニック結晶の周期を大きくすると、高次の回折モードが現れるがそれらを用いることも可能である。
本実施例では、面内共振には２次の回折、面垂直方向には１次の回折を利用するモードを用いている。
また、同じく上記本発明の実施形態において述べたように、上部フォトニック結晶層においては、必ずしも周期構造である必要もない。
また、周期構造である場合でも、必ずしも下部フォトニック結晶層と周期を同一にする必要はない。
また、導波路の厚さ、フォトニック結晶のパラメータを用いることも可能である。例えば、導波路厚さを厚くすると、高次の導波モードが表れるが、それらを用いることも出来る。本実施例では、０次の同波モードを用いている。
また、フォトニック結晶の周期を大きくすると、高次の回折モードが現れるがそれらを用いることも可能である。
本実施例では、面内共振には２次の回折、面垂直方向には１次の回折を利用するモードを用いている。
なお、上記した面発光レーザ素子に用いる素子材料、電極材料、電極パターニングの任意性、フォトニック結晶の対称性、格子点形状、フォトニック結晶が同一周期ではなくても良い点は、以下に述べる実施例２、３においてもすべて同様である。
あるいは、上記した面発光レーザ素子に用いる導波モード等において設計により自由に選択できる点は、以下に述べる実施例２、３においてもすべて同様である。
あるいは、上記した面発光レーザ素子に用いる導波モード等において設計により自由に選択できる点は、以下に述べる実施例２、３においてもすべて同様である。
［実施例２］
実施例２においては、本発明を適用した実施例１とは異なる形態の面発光レーザの構成例について説明する。
図４及び図５に、本実施例における面発光レーザの構成例を説明する模式図を示す。
図４は面発光レーザ全体の斜視図である。
図５（ａ）は図４に示す面発光レーザをａ−ａ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図、図５（ｂ）は図４に示す面発光レーザをｂ−ｂ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図である。
図５（ｃ）は図４に示す面発光レーザをｚ方向より見たときの模式的平面図である。
図４及び図５において、４０１は基板、４０２はクラッド層、４０３は下部導波路層、４０４は活性層、４０５は上部導波路層である。
４０７は下部フォトニック結晶層、４０８は上部フォトニック結晶層、４０９はフォトニック結晶層、４１１は下層フォトニック結晶層空孔、４１３は上層フォトニック結晶層空孔４１４はｎ電極、４１５はｐ電極である。
実施例２においては、本発明を適用した実施例１とは異なる形態の面発光レーザの構成例について説明する。
図４及び図５に、本実施例における面発光レーザの構成例を説明する模式図を示す。
図４は面発光レーザ全体の斜視図である。
図５（ａ）は図４に示す面発光レーザをａ−ａ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図、図５（ｂ）は図４に示す面発光レーザをｂ−ｂ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図である。
図５（ｃ）は図４に示す面発光レーザをｚ方向より見たときの模式的平面図である。
図４及び図５において、４０１は基板、４０２はクラッド層、４０３は下部導波路層、４０４は活性層、４０５は上部導波路層である。
４０７は下部フォトニック結晶層、４０８は上部フォトニック結晶層、４０９はフォトニック結晶層、４１１は下層フォトニック結晶層空孔、４１３は上層フォトニック結晶層空孔４１４はｎ電極、４１５はｐ電極である。
実施例２におけるレーザ素子は、フォトニック結晶層４０９のパターン、およびパラメータ、ｐ電極４１５のパターンが実施例１と相違しているが、これら以外の素子構成、寸法、等においては基本的に実施例１と差異のないものである。本実施例においては、下部フォトニック結晶層４０７は円型ホール格子点の四角格子のままであるが、上部フォトニック結晶層４０８のパターンは個体媒質と空気部分（上層溝４１３）が交互に並んだストライプ形状となっている。
ここでも上部フォトニック結晶層の上層溝の体積分率は、下部フォトニック結晶層の下層空孔４１１の体積分率よりも大きくなっている。
本実施例においては、レーザ素子を構成する材料は実施例１と同様であり、ＧａＮ系を用いている。
ここでも上部フォトニック結晶層の上層溝の体積分率は、下部フォトニック結晶層の下層空孔４１１の体積分率よりも大きくなっている。
本実施例においては、レーザ素子を構成する材料は実施例１と同様であり、ＧａＮ系を用いている。
フォトニック結晶層のパラメータは、フォトニック結晶の周期、下部フォトニック結晶層の孔半径、フォトニック結晶層の厚さ（下部フォトニック結晶層４０７、上部フォトニック結晶層４０８）において実施例１と同様である。
上部フォトニック結晶層のストライプ幅（上層溝幅４１３）は８５ｎｍ、また導波路層の厚さは、上部、下部導波路層ともそれぞれ９０ｎｍである。
ｐ電極のパターンは、上部フォトニック結晶層の形状と同様にストライプ型となっている。周期、ストライプ幅などのパラメータは、上部フォトニック結晶層のものと同様になっている。
本実施例においても、実施例１と同様、電流注入により波長４２０ｎｍ付近で発振する。
上部フォトニック結晶層のストライプ幅（上層溝幅４１３）は８５ｎｍ、また導波路層の厚さは、上部、下部導波路層ともそれぞれ９０ｎｍである。
ｐ電極のパターンは、上部フォトニック結晶層の形状と同様にストライプ型となっている。周期、ストライプ幅などのパラメータは、上部フォトニック結晶層のものと同様になっている。
本実施例においても、実施例１と同様、電流注入により波長４２０ｎｍ付近で発振する。
前述したように、上部フォトニック結晶層は主に光閉じ込めの機能を有しているため、フォトニック結晶の対称性が必ずしも下部フォトニック結晶層と一致している必要はない。
従って本実施例のように、上部フォトニック結晶層をストライプの１次元フォトニック結晶、下部フォトニック結晶層を正方格子の２次元フォトニック結晶とすることも可能である。
従って本実施例のように、上部フォトニック結晶層をストライプの１次元フォトニック結晶、下部フォトニック結晶層を正方格子の２次元フォトニック結晶とすることも可能である。
本実施例のように、上部フォトニック結晶を用いることにより、つぎのような利点を有している。
まず、上部フォトニック結晶の空気部分（上層溝４１３）の体積分率は大きい方が好ましいが、円形空孔パターンにおいては体積分率を大きくしていくと、あるところで隣の空孔同士がつながってしまう。
空孔同士がつながってしまうと、電極は全面でつながらなくなり、電流注入することはできない（体積分率上限はおよそ７０％程度）。従って、体積分率には幾何学的に上限がある。
ストライプの場合には、幾何的にはどれだけ体積分率を上げても（電極を細くしても）、フォトニック結晶面全面に渡り電流注入することができる。
但し、実際には、電極幅を細くしすぎると抵抗が大きくなるため、こちらにも体積分率の上限は存在し、凡そ９７％程度と見積られる。
また、電極の幅を一定に出来るため、円形空孔アレイパターンなどに比べ粗密なく一様に電流を注入できるという利点もある。
さらに、上部フォトニック結晶層をストライプ形状とした時、フォトニック結晶のパラメータによっては次のような利点も存在する。
まず、上部フォトニック結晶の空気部分（上層溝４１３）の体積分率は大きい方が好ましいが、円形空孔パターンにおいては体積分率を大きくしていくと、あるところで隣の空孔同士がつながってしまう。
空孔同士がつながってしまうと、電極は全面でつながらなくなり、電流注入することはできない（体積分率上限はおよそ７０％程度）。従って、体積分率には幾何学的に上限がある。
ストライプの場合には、幾何的にはどれだけ体積分率を上げても（電極を細くしても）、フォトニック結晶面全面に渡り電流注入することができる。
但し、実際には、電極幅を細くしすぎると抵抗が大きくなるため、こちらにも体積分率の上限は存在し、凡そ９７％程度と見積られる。
また、電極の幅を一定に出来るため、円形空孔アレイパターンなどに比べ粗密なく一様に電流を注入できるという利点もある。
さらに、上部フォトニック結晶層をストライプ形状とした時、フォトニック結晶のパラメータによっては次のような利点も存在する。
図６は、下部フォトニック結晶の空孔径を０．２５ａ（ａはフォトニック結晶の周期）とし、上部フォトニック結晶の体積分率を変化させていった時の、共振光のｐ電極への吸収率を表したものである。
ここでは、上部フォトニック結晶層の体積分率を同じくしたときの空孔とストライプの場合とを比較している。
図６から分かるように、上部フォトニック結晶層の空気部分（空孔または上層溝）の体積分率が５２％より大きい時、円形空孔よりもストライプ型配置の方が吸収率が少なくなっている。
体積分率が５２％の時は、吸収率は両者の間でほぼ等しく、このとき空孔半径は０．４１ａ、ストライプ線幅（媒質の方）は、６０ｎｍである。
ここでは、上部フォトニック結晶層の体積分率を同じくしたときの空孔とストライプの場合とを比較している。
図６から分かるように、上部フォトニック結晶層の空気部分（空孔または上層溝）の体積分率が５２％より大きい時、円形空孔よりもストライプ型配置の方が吸収率が少なくなっている。
体積分率が５２％の時は、吸収率は両者の間でほぼ等しく、このとき空孔半径は０．４１ａ、ストライプ線幅（媒質の方）は、６０ｎｍである。
図７に図６のグラフの、上部フォトニック結晶層の空気部分体積分率が、それぞれ５２％、６０％、７０％の時の電極部における共振光の電場強度分布を示す。
図７に示す電場強度分布は、電極と上部フォトニック結晶層の境界部における、フォトニック結晶の単位セルにおけるものである。
ストライプの場合は、周期構造の周期方向は図の縦方向のみであるため、縦方向の長さはストライプ周期分であり、横方向は周期はないが縦方向の周期分の大きさの正方領域を取ってある。実際は上の領域が縦横に敷き詰められ、フォトニック結晶層となっている。
図７の表の下部にあるレーザデバイスの図で見ると、ｃ−ｃ’の線に沿って、基板と平行方向に切った断面における電場分布の様子である。
電場分布の図中にある白線は、それぞれ上部フォトニック結晶層の格子点（格子線）を描いたものである。
円形ホールの場合、ストライプの場合とも、上部フォトニック結晶の上層で、かつ白線の外側の部分にのみ電極が設けられている。
図７に示す電場強度分布は、電極と上部フォトニック結晶層の境界部における、フォトニック結晶の単位セルにおけるものである。
ストライプの場合は、周期構造の周期方向は図の縦方向のみであるため、縦方向の長さはストライプ周期分であり、横方向は周期はないが縦方向の周期分の大きさの正方領域を取ってある。実際は上の領域が縦横に敷き詰められ、フォトニック結晶層となっている。
図７の表の下部にあるレーザデバイスの図で見ると、ｃ−ｃ’の線に沿って、基板と平行方向に切った断面における電場分布の様子である。
電場分布の図中にある白線は、それぞれ上部フォトニック結晶層の格子点（格子線）を描いたものである。
円形ホールの場合、ストライプの場合とも、上部フォトニック結晶の上層で、かつ白線の外側の部分にのみ電極が設けられている。
図７の電場分布の図では、黒い部分ほど電場強度が大きいことを示している。図から分かるように、空気部分の体積分率が５２％の時は、フォトニック結晶が円の時と、ストライプの時と両方とも、電極部において電場強度分布が大きくなっていることが分かる。
それに対して、上部フォトニック結晶の体積分率を大きくして行くと、円形ホールの時は電場強度は電極部において最も強いままであるが、ストライプの場合は、電極部以外の部分で強くなることが分かる。
以上の理由により、上部フォトニック結晶層の個体媒質の体積分率を低くすると、共振光の電極による吸収損失が減少し、従って図６のグラフのように吸収率が減少したものと推測される。
このような傾向は、上部フォトニック結晶の体積分率が５２％より大きく、下部フォトニック結晶層の穴径が０．２２５ａ以上のときに現れる。
従って、下部フォトニック結晶の穴径は０．２２５ａ以上（空孔体積分率１６％以上）で、かつ上部フォトニック結晶層の空孔部分（気体媒質）の体積分率は５２％より大きく９７％以下が、パラメータとしては特に好ましい。
この上部フォトニック結晶層の空孔部分（気体媒質）の体積分率の上限の９７％は電気抵抗の要因によるものである。すなわち、あまりに空孔部の体積が大きくなり半導体部分が減少すると、電気抵抗が大きくなりすぎてしまうためである。
それに対して、上部フォトニック結晶の体積分率を大きくして行くと、円形ホールの時は電場強度は電極部において最も強いままであるが、ストライプの場合は、電極部以外の部分で強くなることが分かる。
以上の理由により、上部フォトニック結晶層の個体媒質の体積分率を低くすると、共振光の電極による吸収損失が減少し、従って図６のグラフのように吸収率が減少したものと推測される。
このような傾向は、上部フォトニック結晶の体積分率が５２％より大きく、下部フォトニック結晶層の穴径が０．２２５ａ以上のときに現れる。
従って、下部フォトニック結晶の穴径は０．２２５ａ以上（空孔体積分率１６％以上）で、かつ上部フォトニック結晶層の空孔部分（気体媒質）の体積分率は５２％より大きく９７％以下が、パラメータとしては特に好ましい。
この上部フォトニック結晶層の空孔部分（気体媒質）の体積分率の上限の９７％は電気抵抗の要因によるものである。すなわち、あまりに空孔部の体積が大きくなり半導体部分が減少すると、電気抵抗が大きくなりすぎてしまうためである。
また、本実施例のように上部フォトニック結晶層をストライプ上にすることで、レーザの共振光の方向に対して異方性を持たせることができ、結果として出射光の偏光を直線偏光に制御できる。
本実施例におけるレーザ素子の作製方法は、実施例１と同様のプロセスで作製することができる。実施例１の上部フォトニック結晶パターンを変えたものである。
本実施例におけるレーザ素子の作製方法は、実施例１と同様のプロセスで作製することができる。実施例１の上部フォトニック結晶パターンを変えたものである。
［実施例３］
実施例３においては、上記各実施例とは異なる形態の面発光レーザの構成例について説明する。
図８に、本発明の実施例３における面発光レーザを説明する模式図を示す。
図８（ａ）は面発光レーザ全体の斜視図である。
図８（ｂ）は面発光レーザをａ−ａ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図である。
図８（ｃ）は面発光レーザをｂ−ｂ’を通り、ｘ−ｙ面に平行な平面で切った時の模式的断面図である。
図８（ｄ）は面発光レーザをｃ−ｃ’を通り、ｘ−ｙ面に平行な平面で切った時の模式的断面図である。
図８において、７０１は基板、７０２はクラッド層、７０３は下部導波路層、７０４は活性層、７０５は上部導波路層である。
７０９はフォトニック結晶層、７１３は上層フォトニック結晶層空孔、７１４はｎ電極、７１５はｐ電極である。
実施例３においては、上記各実施例とは異なる形態の面発光レーザの構成例について説明する。
図８に、本発明の実施例３における面発光レーザを説明する模式図を示す。
図８（ａ）は面発光レーザ全体の斜視図である。
図８（ｂ）は面発光レーザをａ−ａ’に沿ってｚ軸方向に切断した断面における模式的断面図である。
図８（ｃ）は面発光レーザをｂ−ｂ’を通り、ｘ−ｙ面に平行な平面で切った時の模式的断面図である。
図８（ｄ）は面発光レーザをｃ−ｃ’を通り、ｘ−ｙ面に平行な平面で切った時の模式的断面図である。
図８において、７０１は基板、７０２はクラッド層、７０３は下部導波路層、７０４は活性層、７０５は上部導波路層である。
７０９はフォトニック結晶層、７１３は上層フォトニック結晶層空孔、７１４はｎ電極、７１５はｐ電極である。
本実施例における面発光レーザでは、フォトニック結晶層７０９以外のパラメータは全て実施例１と同じである。
材料に関してはフォトニック結晶層も含め、全ての部位が実施例１と同じである。
従って、以下にフォトニック結晶部についての違いのみ説明する。
本実施例においては、上部フォトニック結晶層７０８は実施例１と同様円形ホールタイプの正方格子を用いているが、下部フォトニック結晶層７０７が実施例１と異なっている。
具体的には、図８（ｃ）に示すように、下部フォトニック結晶層（第１の屈折率周期構造層）７０７における低屈折率媒質が環状形状に形成されている。
この環状形状のフォトニック結晶は、環幅が、２０ｎｍ、内円の半径が２３ｎｍである。周期は１７０ｎｍ、外円部の半径は４３ｎｍであり、それぞれ実施例１と同様である。その他、下部フォトニック結晶層７０７、上部フォトニック結晶７０８の厚さに関しても、実施例１と同様である。
材料に関してはフォトニック結晶層も含め、全ての部位が実施例１と同じである。
従って、以下にフォトニック結晶部についての違いのみ説明する。
本実施例においては、上部フォトニック結晶層７０８は実施例１と同様円形ホールタイプの正方格子を用いているが、下部フォトニック結晶層７０７が実施例１と異なっている。
具体的には、図８（ｃ）に示すように、下部フォトニック結晶層（第１の屈折率周期構造層）７０７における低屈折率媒質が環状形状に形成されている。
この環状形状のフォトニック結晶は、環幅が、２０ｎｍ、内円の半径が２３ｎｍである。周期は１７０ｎｍ、外円部の半径は４３ｎｍであり、それぞれ実施例１と同様である。その他、下部フォトニック結晶層７０７、上部フォトニック結晶７０８の厚さに関しても、実施例１と同様である。
本実施例においては、下部フォトニック結晶の中心を埋めることで、下部フォトニック結晶層の半導体媒質体積分率を大きくしている。
円形空孔の場合、半導体媒質体積分率を大きくするため空孔径を小さくすると、フォトニック結晶に対する共振光の重なりが大きくなり、フィードバック効果が大きくなる。
しかし、同じ光の重なりで、空孔径が大きい時よりもフィードバック効果は低い。
そこで、本実施例のように環状型として中心を埋め、空気部分の散乱面積を増やしてやることで、空孔径が大きい時に似た効果を出し、さらにフィードバック効果を高めることができる。
本実施例における素子の作製方法は、実施例１と同様の行程で作製することができる。
本実施例においては下部フォトニック結晶層では円形環の格子点としたが、環状形状であればどのようなものを用いてもよい。
例えば、方形環や三角形環などの多角形環や、楕円環を用いることも可能である。
円形空孔の場合、半導体媒質体積分率を大きくするため空孔径を小さくすると、フォトニック結晶に対する共振光の重なりが大きくなり、フィードバック効果が大きくなる。
しかし、同じ光の重なりで、空孔径が大きい時よりもフィードバック効果は低い。
そこで、本実施例のように環状型として中心を埋め、空気部分の散乱面積を増やしてやることで、空孔径が大きい時に似た効果を出し、さらにフィードバック効果を高めることができる。
本実施例における素子の作製方法は、実施例１と同様の行程で作製することができる。
本実施例においては下部フォトニック結晶層では円形環の格子点としたが、環状形状であればどのようなものを用いてもよい。
例えば、方形環や三角形環などの多角形環や、楕円環を用いることも可能である。
以上に説明した実施例１から実施径３の構成は例示的なものであり、本発明において用いる面発光レーザ素子の構造材料、大きさ、形状などの諸条件は、以上の実施例により何ら限定されるものではない。
１０１、３０１、４０１、７０１：基板
１０２、３０２、４０２、７０２：クラッド層
１０３、３０３、４０３、７０３：下部導波路層
１０４、３０４、４０４、７０４：活性層
１０５、３０５、４０５、７０５：上部導波路層
１０６：導波路層
１０７：下部屈折率周期構造層
１０８：上部屈折率周期構造層
１０９：屈折率周期構造層
１１０：下層高屈折率媒質
１１１：下層低屈折率媒質
１１２：上層高屈折率媒質
１１３：上層低屈折率媒質
１１４：下部電極
１１５：上部電極
３０７、４０７：下部フォトニック結晶層
３０８、４０８：上部フォトニック結晶層
３０９、４０９：フォトニック結晶層
３１１、４１１：下層フォトニック結晶層空孔
３１３、４１３、７１３：上層フォトニック結晶層空孔
３１４、４１４、７１４：ｎ電極
３１５、４１５、７１５：ｐ電極
１０２、３０２、４０２、７０２：クラッド層
１０３、３０３、４０３、７０３：下部導波路層
１０４、３０４、４０４、７０４：活性層
１０５、３０５、４０５、７０５：上部導波路層
１０６：導波路層
１０７：下部屈折率周期構造層
１０８：上部屈折率周期構造層
１０９：屈折率周期構造層
１１０：下層高屈折率媒質
１１１：下層低屈折率媒質
１１２：上層高屈折率媒質
１１３：上層低屈折率媒質
１１４：下部電極
１１５：上部電極
３０７、４０７：下部フォトニック結晶層
３０８、４０８：上部フォトニック結晶層
３０９、４０９：フォトニック結晶層
３１１、４１１：下層フォトニック結晶層空孔
３１３、４１３、７１３：上層フォトニック結晶層空孔
３１４、４１４、７１４：ｎ電極
３１５、４１５、７１５：ｐ電極
Claims (7)
- 活性層を備えた導波路層と、
前記活性層からの光を面内方向で共振させる位置に配置された屈折率周期構造と、を有する面発光レーザであって、
前記屈折率周期構造が、前記活性層側に設けられている低屈折率媒質と高屈折率媒質とからなる第１の屈折率周期構造層と、該第１の屈折率周期構造層上に積層された低屈折率媒質と高屈折率媒質とからなる第２の屈折率周期構造層とを備え、
前記第２の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質の体積分率が、前記第１の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質よりも大きい体積分率を有し、 前記第１の屈折率周期構造層における屈折率周期構造が２次元周期構造であり、
前記第２の屈折率周期構造層における屈折率周期構造がストライプ状の１次元周期構造であり、
前記第２の屈折率周期構造層に隣接して、電極が形成されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第１の屈折率周期構造層における屈折率周期構造を構成するパターンが正方格子状であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
- 前記第１の屈折率周期構造層を構成する低屈折率媒質としての気体媒質の体積分率が１６％以上であり、
前記第２の屈折率周期構造層を構成する低屈折率媒質としての気体媒質の体積分率が５２％より大きく９７％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。 - 前記電極が、前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質の全部と、前記第２の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質の一部に隣接して、形成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項に記載の面発光レーザ。
- 前記電極が、前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質の上に形成されており、
前記第２の屈折率周期構造層における前記高屈折率媒質のパターンと、前記電極のパターンとが、同一のパターンであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。 - 前記第１の屈折率周期構造層における前記低屈折率媒質が、環状形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
- 前記第２の屈折率周期構造層における周期構造の周期が、不規則にずれて構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
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