JP5322453B2 - ３次元フォトニック結晶発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は，３次元フォトニック結晶を含み、活性媒質に電流を注入することにより発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）及び半導体レーザ（ＬＤ）等の３次元フォトニック結晶発光素子に関する。
従来の一般的な半導体の発光素子は、Ｐクラッド層、活性層、Ｎクラッド層から構成されている。正孔が電極からＰクラッド層を通して注入され、活性層に導かれる。一方で、電子が電極からＮクラッド層を通して注入され、活性層に導かれる。活性層で正孔と電子が結合し、活性層のバンドギャップに対応したエネルギーを有する自然放出光を発する。特に、へき界面などにより活性層を含むように共振器を形成すると、共振器による光増幅により誘導放出光が発生し、レーザ光が生成される。
ＬＤの発光効率を上昇させる手法として、電気抵抗を下げてキャリアの注入効率を上げる、誘導放出光以外の再結合過程による損失を低減する、光閉じ込めを増強して漏れ光を減少させるといった手法が存在する。
ＬＤにおいて、電気抵抗を下げるためにＰクラッド層の一部をＮ型材料に置き換え、Ｐ型材料とＮ型材料の間にトンネル接合層を導入した構造が提案されている（特許文献１参照）。しかし、この方法では光の閉じ込めを増強できず、再結合過程による損失も低減できない。
一方、所望の波長以外の光を発光す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提案されている（非特許文献１参照）。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にて開示された方法は、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。また、光閉じ込め作用の観点からも該作用の強い３次元フォトニック結晶を用いることが望ましい。
３次元フォトニック結晶を用いた発光素子として、特許文献２にて開示されたものがある。特許文献２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層を形成し、フォトニック結晶外部に設け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中を伝導し、線状欠陥で形成されたキャリア伝導路に接続され、活性部分に導かれる。さらに、３次元フォトニック結晶の構造としては、特許文献３，４にて開示されたものがある。
特許文献２で開示された構造では、電極から注入されたキャリアが、３次元フォトニック結晶構造中を伝導する。特許文献２で開示された構造では、井桁形状に配置された柱状体内部をキャリアが伝導するため、従来の半導体発光素子に比べ、キャリアの伝導経路の断面積が小さく、かつ長さが長いため、キャリアの伝導経路における直列抵抗が大きくなってしまう。そのため、注入効率の低下を招く。この影響は、特に電気伝導度の低いＰクラッド層で顕著である。
また、３次元フォトニック結晶を用いた発光素子において、注入効率を上げるためには、Ｐクラッド層の厚みを減らす必要がある。しかし、Ｐクラッド層の厚みを減らすとフォトニック結晶の周期数が減ってしまい、光閉じ込め作用が弱くなってしまう。
本発明は、高いキャリア注入効率と高い光閉じ込め作用とを両立できるようにした３次元フォトニック結晶発光素子を提供する。
本発明の３次元フォトニック結晶発光素子は、３次元フォトニック結晶中に共振器を形成する欠陥部を有し、該３次元フォトニック結晶は、Ｎ型半導体により形成されたＮクラッド層と、共振器の内部に配置された活性層と、Ｐ型半導体により形成されたＰクラッド層と、トンネル接合層と、第１のＮ型導電体により形成された第１のＮ導電層とが、この順番で配置されて構成されている。そして、第１のＮ型導電体の電気伝導度が、Ｐ型半導体の電気伝導度よりも高いことを特徴とする。
本発明によれば、３次元フォトニック結晶発光素子において、高いキャリア注入効率と高い光閉じ込め作用の双方を得ることができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施例１である３次元フォトニック結晶発光素子の断面を示す。
発光素子１００は、３次元フォトニック結晶１０１と、Ｎ型電極１０２と、Ｎ型半導体により形成されるＮクラッド層１０３と、活性層１０４と、Ｐ型半導体により形成されたＰクラッド層１０５とを有する。また、発光素子１００は、トンネル接合層１０６と、Ｎ型導電体（第１のＮ型導電体）により形成されたＮ導電層（第１のＮ導電層）１０７と、Ｎ型電極１０８と、絶縁部１０９とを有する。３次元フォトニック結晶１０１は、Ｎクラッド層１０３からＮ導電層１０７がこの順番（符号順）で互いに隣接するように配置されて構成されている。
３次元フォトニック結晶１０１中には、活性媒質により形成された点欠陥としての共振器が設けられており、活性層１０４は該共振器の内部に配置されている。
トンネル接合層１０６は、Ｐクラッド層１０５に接する部分１１０がＰクラッド層１０５よりも高濃度ドープのＰ型半導体により形成され、Ｎ導電層１０７に接する部分１１１がＮ導電層１０７よりも高濃度ドープのＮ型導電体により形成されている。Ｎ型導電体は、特定物質がドープされた金属酸化物により形成するとよい。本実施例では、３次元フォトニック結晶の構造として、特許文献３にて開示されたものと基本的に同様の構造を用いる。
このような構造を有する３次元フォトニック結晶を用いた発光素子では、キャリア伝導経路の断面積が小さく、かつ距離が長い。そして、キャリア伝導経路における抵抗値はその長さに比例し、断面積に反比例する。このため、図２に示すように、特許文献１にて開示されたＬＤのクラッド層を単純にフォトニック結晶に置き換えた構造を有する発光素子８００では、キャリアの注入効率が非常に低い。
なお、図２に示す発光素子８００において、図１と同じ役割を有する構成部分には、図１と同じ符号を付している。図２では、トンネル接合層１０６とＮ導電層１０７とがフォトニック結晶８０１の外側に配置されている点が図１に示した構造と異なっている。
通常、半導体においては、価電子帯の有効質量の方が伝導帯の有効質量よりも大きいため、Ｐ型半導体の方がＮ型半導体よりもキャリア移動度が低く、この結果、電気伝導度が低い。したがって、Ｐクラッド層にて発生するジュール熱が注入効率を決める主要因となっている。例えば、ＧａＮの場合は、ＳｉをドープしたＮ型半導体の電気伝導度は１ｅ３〜１ｅ４（Ｓ／ｍ）程度であり、ＭｇをドープしたＰ型半導体の電気伝導度は１ｅ１〜１ｅ２（Ｓ／ｍ）程度である。すなわち、Ｐ型半導体の電気伝導度の方がＮ型半導体のそれに比べて１／１０〜１／１０００倍程度小さい。
このため、３次元フォトニック結晶を用いた発光素子において、ジュール熱による損失を減らすためには、Ｐクラッド層の厚さを減らす必要がある。しかし、Ｐクラッド層の厚さを減らすと、フォトニック結晶の周期数が減ってしまい、光閉じ込め作用が弱くなってしまう。
図３には、本実施例及び特許文献３の３次元フォトニック結晶における点欠陥共振器１１４の近傍を拡大して示す。図３では、各層に平行な方向（各層の面内方向）にｘ軸及びｙ軸をとり、積層方向にｚ軸をとっている。３次元フォトニック結晶は図３に示すように、互いに直交する方向に延びる複数の柱状構造体１１５を井桁状に積層した構造を有する。
ここで、図３に示すフォトニック結晶において、格子定数をａとするとき、柱状構造体の幅ＲＷと高さＲＨはともに、０．３５ａである。
点欠陥共振器１１４は、図３に示すように直方体形状を有し、ｘ，ｙ，ｚ軸方向の長さＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚはそれぞれ、０．９５ａ，０．９５ａ，０．３５ａである。
発明者は、図３のフォトニック結晶を用いた発光素子（レーザ素子）のレーザ発振波長を５００ｎｍ程度とし、構造の屈折率を２．４として、Ｑ値を求めた。クラッド層の外側には、屈折率の実部が２．４、虚部が０．０４であり、厚さ２ａである導電体が配置されている。ｘｙ平面内における柱状構造体の周期数を２０×２０とし、クラッド層の積層数を変えてＱ値を求めた。Ｑ値は共振器の光閉じ込め作用の強さを表す係数であり、Ｑ値が大きいほど光閉じ込め作用が強い。
上記のような条件で、クラッド層の層数が片側３２層と十分であれば、Ｑ値は３８万である。しかし、クラッド層の層数を片側８層とすると、Ｑ値が６６０となってしまい、閉じ込め作用が弱すぎてレーザ発振が起こらなくなってしまう。
一方、Ｎクラッド層の層数を３２層としたままで、Ｐクラッド層を８層とし、該Ｐクラッド層の外側に導電体で２４層のフォトニック結晶を形成した場合は、Ｑ値が４万となり、十分な光閉じ込め作用が得られた。
そして、図１の３次元フォトニック結晶では、図２に示したＰクラッド層１０５の一部を、Ｐ型半導体よりも電気伝導度の高いＮ型導電体（第１のＮ型導電体）で形成されたＮ導電層１０７で置き換えることにより、発生するジュール熱を低減することができた。
以上のことより、図１に示した本実施例の３次元フォトニック結晶発光素子１００では、高いキャリア注入効率と高い光閉じ込め作用を実現できる。
さらに十分な光閉じ込め作用を得るためには、３次元フォトニック結晶を片側６周期以上積層することが好ましい。すなわち、図１に示す発光素子１００では、Ｐクラッド層１０５とトンネル接合層１０６とＮ導電層１０７の合計が６周期以上であって、かつＮクラッド層１０３も６周期以上であることが好ましい。
また、Ｐクラッド層１０５でのジュール熱の発生を抑えるため、Ｐクラッド層１０５の厚さをＮ導電層１０７の厚さよりも小さくすることが好ましく、さらに、Ｐクラッド層１０５は１周期以内であることが好ましい。
以下、実施例１の変形例としての発光素子１００Ａ〜１００Ｅについて説明する。該変形例において、図１と同じ構成部分については、図１と同じ符号を付す（ただし、３次元フォトニック結晶の部分には異なる構造を有する場合でも符号１０１を付す）。
（変形例１）
図４に示す発光素子１００Ａでは、Ｎ導電層１０７の外周側の部分にさらに３次元フォトニック結晶（以下、この３次元フォトニック結晶層を誘電体層１１２とする）を積層することによって、十分な光閉じ込め作用を実現している。すなわち、発光素子１００Ａでは、Ｎ導電層１０７に対してトンネル接合層１０６とは反対側に誘電体層１１２を有する。
この発光素子１００Ａにおいては、Ｐクラッド層１０５とトンネル接合層１０６とＮ導電層１０７に誘電体層１１２を加えた合計が６周期以上であれば、十分な光閉じ込めが得られる。誘電体層１１２を配置したことで、Ｐクラッド層１０５の厚さを小さくすることができ、発生するジュール熱を低減することができる。
図４に示す発光素子１００Ａでは、Ｎ導電層１０７の面内方向外側にＮ型電極１０８を配置して、ここからキャリアを注入する。
また、Ｐ型半導体とＮ型導電体の界面に配置されたトンネル接合層１０６には、ドープ濃度の高いＰ型半導体層１１０とドープ濃度の高いＮ型導電体層１１１とが配置されている。このため、電流はトンネル効果によってＮ導電層１０７からＰクラッド層１０５に注入される。
Ｎ型半導体、Ｐ型半導体及びＮ型導電体は、レーザ光の吸収を防ぐため、レーザの発振周波数よりも広いバンドギャップを持つ材料により形成されることが好ましい。ただし、Ｎ型導電体（第１のＮ型導電体）の電子親和力がＰ型半導体の電子親和力よりも大きい方が、トンネル障壁の高さが減少するため、より好ましい。このような材料の組み合わせとしては、例えば発振波長が５００ｎｍの発光素子においては、以下のように選択することが好ましい。
Ｐ型半導体を、ＭｇドープのＧａＮや、ＡｌＧａＮや、Ｉｎの比率が０．２以下のＩｎＧａＮとする。また、Ｎ型半導体を、ＳｉドープのＧａＮや、ＡｌＧａＮや、Ｉｎの比率が０．２以下のＩｎＧａＮとする。さらに、Ｎ型導電体を、ＮｂドープのＴｉＯ２や、ＡｌドープのＺｎＯとする。ＧａＮの電子親和力は３．４（ｅＶ）程度、ＴｉＯ２の電子親和力は４．２（ｅＶ）程度、ＺｎＯの電子親和力は４．４（ｅＶ）程度であり、ＮｂドープのＴｉＯ２、ＡｌドープのＺｎＯの電気伝導度はともに１ｅ５（Ｓ／ｍ）程度である。
また、発振波長が９００ｎｍの発光素子においては、Ｐ型半導体を、ＺｎドープのＧａＡｓとし、Ｎ型半導体をＳｉドープのＧａＡｓとし、Ｎ型導電体をＴｉＯ２やＺｎＯとすればよい。ＧａＡｓの電子親和力は４．０（ｅＶ）程度である。さらに、誘電体層１１２は、Ｎ型半導体及びＰ型半導体と同じ誘電率を持つ誘電体を用いて形成すればよい。例えば、Ｎ型半導体及びＰ型半導体と同じ材料であって、ノンドープの半導体を用いることができる。
（変形例２）
図１に示す発光素子１００では、活性層１０４を点欠陥部にのみ設け、点欠陥部以外のＰクラッド層１０５とＮクラッド層１０３の間には絶縁部１０９を配置した。しかし、図５に示す発光素子１００Ｂのように、点欠陥部以外の部分も活性層１０４としてもよい。
（変形例３）
図６に示す発光素子１００Ｃのように、絶縁部１０９をＰクラッド層１０５に設けることで、電流狭窄領域を形成してもよい。Ｐ型半導体の方がＮ型半導体よりもキャリア移動度が低いため、Ｐクラッド層１０５に電流狭窄領域を形成する方が効果的である。
（変形例４）
図１に示す発光素子１００では、活性層１０４を点欠陥部としたが、必ずしも点欠陥部である必要はなく、図７に示す発光素子１００Ｄのように、線欠陥部であってもよい。
（変形例５）
図１に示す発光素子１００の説明では、該発光素子（レーザ素子）１００に、共振により誘導放出を生じさせてレーザ発振をさせる場合について説明したが、発光素子１００を必ずしもレーザ素子とする必要はない。例えば、波長の広がりが小さい高効率な共振器型ＬＥＤとして用いてもよい。この場合、図８に示す発光素子１００Ｅのように、共振器（活性層１０４）で発生した光は、線欠陥導波路１１３によって外部に取り出すことができる。なお、共振器（活性層１０４）で発生した光を線欠陥導波路によって外部に取り出す構成は、レーザ素子にも同様に適用することができる。
図９には、本発明の実施例２である３次元フォトニック結晶の断面を示している。なお、図１と同じ構成部分については、図１と同じ符号を付している（ただし、３次元フォトニック結晶の部分には異なる構造であっても１０１を付している）。
本実施例の発光素子２００では、Ｎクラッド層２０３のうちＮ型電極１０２に接する部分に、Ｎ型半導体よりも電気伝導度が高いＮ型導電体（第２のＮ型導電体）により形成されたＮ導電層（第２のＮ導電層）２１４が配置されている。すなわち、Ｎクラッド層２０３において、Ｎクラッド層１０３に対して活性層１０４とは反対側に、Ｎ型半導体よりも電気伝導度が高いＮ型導電体により形成されたＮ導電層２１４を有する。
本実施例のように、Ｎクラッド層２０３の一部を電気伝導度の高い材料に置き換えたことで、Ｎクラッド層２０３で発生するジュール熱も低減させることができる。
Ｎ導電層２１４の材料は、Ｎ導電層１０７の材料と異なってもよいが、同じ材料とすることで、フォトニック結晶の周期パターンを形成するプロセスを共通にすることができ、フォトニック結晶を製造し易い。
図１０には、本発明の実施例３である３次元フォトニック結晶の断面を示している。なお、図１と同じ構成部分については、図１と同じ符号を付している（ただし、３次元フォトニック結晶の部分には３０１を付している）。
本実施例の発光素子３００では、３次元フォトニック結晶３０１の構造として特許文献４にて開示されているような離散構造を含むものを用い、トンネル接合層３０６を３次元フォトニック結晶３０１の離散構造層（付加層）として配置する。
図１１には、本実施例及び特許文献４での３次元フォトニック結晶の構造を立体的に示す。３次元フォトニック結晶３０１は、それぞれｙ方向（第１の方向）に延びる複数の柱状構造体（第１の構造体）３５１，３５５が互いに間隔をあけて、ｙ方向に直交するｘ方向（第２の方向）に周期的に配置された第１層及び第３層を有する。また、それぞれｘ方向に延びる複数の柱状構造体（第２の構造体）３５３，３５７が互いに間隔をあけてｙ方向に周期的に配置された第２層及び第４層を有する。そして、第１層から第４層は、各層に平行な面内において平板形状等の形状を有する構造体（第３の構造体：離散構造体ともいう）３５２，３５４，３５６，３５８が離散的に配置された付加層を間に挟んで第１層から第４層の順にｚ方向に積層されている。なお、付加層においては、離散構造体が１つの層を形成していてもよいし、複数層を形成していてもよい。
さらに、第１層に含まれる柱状構造体３５１と第３層に含まれる柱状構造体３５５とは、ｘ方向において半周期ずれて配置されている。また、第２層に含まれる柱状構造体３５３と第４層に含まれる柱状構造体３５５とはｙ方向において半周期ずれて配置されている。
そして、離散構造体３５２，３５４，３５６，３５８は、柱状構造体３５１，３５５と柱状構造体３５３，３５７とが立体的に交差する位置（これらの交点に相当する位置とも言える）に配置されている。
本実施例の発光素子３００は、レーザ発振の波長が５００ｎｍ程度で、クラッド層を形成する半導体は屈折率が２．４のＧａＮである。このとき、トンネル接合層の厚さは１００ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ程度とするとよい。フォトニック結晶３０１の離散構造体３５２，３５４，３５６，３５８の厚さは２０ｎｍ程度であるため、離散構造層（付加層）をトンネル接合層とした場合には、効果的にキャリア伝導が行われる。
トンネル接合層内の離散構造体は、トンネル接合層以外の離散構造体と同じ形状及び同じ断面積を有していてもよい。また、接触抵抗を低減させるために、トンネル接合層内の離散構造体の断面積をトンネル接合層以外の離散構造体の断面積よりも広く（大きく）してもよい。
図１２には、本実施例及び特許文献４での３次元フォトニック結晶における点欠陥共振器の近傍を拡大して示す。図１２では、各層に平行な方向（各層の面内方向）にｘ軸及びｙ軸をとり、積層方向にｚ軸をとっている。
格子定数をａとしたとき、柱状構造体の幅ＲＷは０．３２ａで、高さＲＨは０．２４ａである。また、離散構造体の幅ＪＷは０．５４ａで、高さＪＨは０．１０ａである。点欠陥共振器１１４は、図１２に示すように直方体形状を有し、ｘ，ｙ，ｚ軸方向の長さＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚはそれぞれ、１．２０ａ，１．２０ａ，０．２４ａである。
図１３には、トンネル接合層における離散構造体の形状を上記形状から変化させたときのＱ値を示す。ｘｙ平面内での周期は１３×１３であり、ｚ方向での周期数は７周期としている。
トンネル接合層は、図１０に示すように点欠陥部のある層から数えて７層だけ離れた層にある離散構造層とした。離散構造体は柱状構造体に比べて積層方向での高さが低いため、図１３に示すように離散構造体の断面積を広くしても、光閉じ込め作用の強さは変化しない。したがって、良好な光閉じ込め作用を保ちつつ、キャリアの注入効率を上げることができる。
実施例１でも説明したように、Ｐクラッド層１０５は１周期以内であることが好ましいため、トンネル接合層は点欠陥部のある層から数えて１周期以内の離散構造層に設けることが好ましい。フォトニック結晶３０１は１周期が８層であるため、ここでは点欠陥部のある層から数えて７層離れた層の離散構造体の形状を変化させた。
なお、本実施例では、トンネル接合層の全ての離散構造体の形状を一様に変化させたが、Ｐクラッド層の一部に電流狭窄領域を設ける場合には、図１４に示す発光素子３００Ａのように、Ｐ型半導体に接する部分の離散構造体の断面積のみを広くすればよい。
次に、上記各実施例で説明した３次元フォトニック結晶発光素子の製造方法について説明する。ここでは、実施例１の３次元フォトニック結晶発光素子を例としてその製造方法を、図１５を用いて説明する。
まず、ａ）フォトリソグラフィー等によって半導体の周期構造４０１を作製する。
ｂ）周期構造４０１以外の部分を犠牲層４０２で埋め、化学的機械的研磨法等によって平坦化する。
ｃ）〜ｄ）隙間が充填された周期構造上にａ），ｂ）の工程を繰り返して各層を積層する。周期構造４０１は、Ｐクラッド層１０５であればＰ型半導体により、Ｎクラッド層１０３であればＮ型半導体により、Ｎ導電層１０７であれば透明導電材料により、トンネル接合層１０６であればＰ型半導体と透明導電材料とによりそれぞれ作製する。
例えば、Ｐ型半導体としてはＣＶＤで成膜したＭｇドープのＧａＮを用い、Ｎ型半導体としてはＣＶＤで成膜したＳｉドープのＧａＮを用いる。また、透明導電材料としてはスパッタで成膜したＮｂドープのＴｉＯ２を用いる。
欠陥共振器を含む層について、活性層４０３以外の部分に絶縁部４０４を形成する場合は、ｅ）一旦、活性層４０３以外のパターンを絶縁部４０４により形成し、ｆ）その後、活性層４０３を電子ビーム照射による誘起化学気相堆積法等によって形成する。また、Ｐクラッド層に電流狭窄領域を形成する場合には、選択的なアニールや選択的なイオン注入を用いて形成する。
なお、本実施例では、各層を順次積層形成していく３次元フォトニック結晶の製造方法について説明したが、別々に製造した各層を接合することで３次元フォトニック結晶を製造してもよい。
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３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 特許文献１の３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 実施例１及び特許文献３の３次元フォトニック結晶発光素子における点欠陥共振器の近傍を示す拡大図。 実施例１の変形例１である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 実施例１の変形例２である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 実施例１の変形例３である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 実施例１の変形例４である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 実施例１の変形例５である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 本発明の実施例２である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 本発明の実施例３である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 実施例３及び特許文献４の３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 実施例３及び特許文献３の３次元フォトニック結晶発光素子における点欠陥共振器の近傍を示す拡大図。 実施例３における離散構造体の形状とＱ値の例を示す表図。 実施例３の変形例である３次元フォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。 本発明の実施例４として説明する３次元フォトニック結晶発光素子の製造方法を示す図。
符号の説明
１００，１００Ａ〜１００Ｅ，２００，３００ ３次元フォトニック結晶発光素子
１０１，３０１ ３次元フォトニック結晶
１０２，２０２ Ｎ型電極
１０３，２０３ Ｎクラッド層
１０４ 活性層
１０５ Ｐクラッド層
１０６，３０６ トンネル接合層
１０７ Ｎ導電層
１０８ Ｎ型電極
１０９ 絶縁部
１１０ トンネル接合層の一部を形成するＰ型半導体層
１１１ トンネル接合層の一部を形成するＮ型導電体層
１１２ 誘電体層
１１３ 線欠陥導波路
２１４ Ｎ導電層
４０１ 周期構造
４０２ 犠牲層
４０３ 活性層
４０４ 絶縁部

Claims (17)

  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中に共振器を形成する欠陥部を有し、
    該３次元フォトニック結晶は、Ｎ型半導体により形成されたＮクラッド層と、前記共振器の内部に配置された活性層と、Ｐ型半導体により形成されたＰクラッド層と、トンネル接合層と、第１のＮ型導電体により形成された第１のＮ導電層とが、この順番で配置されて構成されており、
    前記第１のＮ型導電体の電気伝導度が、前記Ｐ型半導体の電気伝導度よりも高いことを特徴とする３次元フォトニック結晶発光素子。
  2. 前記Ｐクラッド層の厚さが、前記第１のＮ導電層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  3. 前記３次元フォトニック結晶は、前記第１のＮ導電層に対して前記トンネル接合層とは反対側に誘電体層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  4. 前記３次元フォトニック結晶は、前記Ｎクラッド層に対して前記活性層とは反対側に、前記Ｎ型半導体よりも電気伝導度が高い第２のＮ型導電体により形成される第２のＮ導電層を有す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３次元フォトニック結晶発光素子。
  5. 前記第１のＮ型導電体と前記第２のＮ型導電体とが同じ材料であることを特徴とする請求項４に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  6. 前記第１のＮ型導電体の電子親和力が、前記Ｐ型半導体の電子親和力よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  7. 前記３次元フォトニック結晶は、
    第１の方向に延びる複数の第１の構造体が互いに間隔をあけて、前記第１の方向に直交する第２の方向に周期的に配置された第１層及び第３層と、前記第２の方向に延びる複数の第２の構造体が互いに間隔をあけて、前記第１の方向に周期的に配置された第２層及び第４層と、
    前記第１層と前記第２層との間、前記第２層と前記第３層との間、および前記第３層と前記第４層との間に、複数の第３の構造体が離散的に配置された付加層とを含み、
    前記第１層、前記第２層、前記第３層、および前記第４層は、この順番で配置され、
    前記第１層に含まれる前記第１の構造体と前記第３層に含まれる前記第１の構造体とが、前記第２の方向において半周期ずれて配置され、かつ前記第２層に含まれる前記第２の構造体と前記第４層に含まれる前記第２の構造体とが前記第１の方向において半周期ずれて配置されており、
    前記複数の第３の構造体のそれぞれは、前記第１の構造体と前記第２の構造体とが立体的に交差する位置に配置され、
    前記複数の第３の構造体の厚さは、前記第１の構造体および前記第２の構造体の厚さよりも小さく、
    前記複数の第３の構造体の少なくとも１つは、前記トンネル接合層を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  8. 前記トンネル接合層を含む第３の構造体の断面積が、前記トンネル接合層を含まない第３の構造体の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  9. 該発光素子は、レーザ素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  10. 前記Ｎクラッド層は、屈折率の周期が６周期以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  11. 前記Ｐクラッド層の屈折率の周期、前記トンネル接合層の屈折率の周期、および前記第１のＮ導電層の屈折率の周期の合計が６周期以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  12. 前記Ｐクラッド層は、屈折率の周期が１周期以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  13. 前記Ｎクラッド層と、前記活性層と、前記Ｐクラッド層と、前記トンネル接合層と、前記第１のＮ導電層とが、前記３次元フォトニック結晶の基板の面外方向にこの順番で配置されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  14. 前記Ｎクラッド層は、前記基板の面外方向の屈折率の周期が６周期以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  15. 前記Ｐクラッド層の前記基板の面外方向の屈折率の周期、前記トンネル接合層の前記基板の面外方向の屈折率の周期、および前記第１のＮ導電層の前記基板の面外方向の屈折率の周期の合計が６周期以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  16. 前記Ｐクラッド層は、前記基板の面外方向の屈折率の周期が１周期以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１つに記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
  17. 前記第１層、前記第２層、前記第３層、および前記第４層は、前記基板の面外方向にこの順番で配置されていることを特徴とする請求項７に記載の３次元フォトニック結晶発光素子。
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