JP5327234B2 - Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2次元フォトニック結晶で共振させることによって面発光する2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that emits a surface by resonating with a two-dimensional photonic crystal and a method for manufacturing the same.
面発光レーザは、基板面から略垂直(その法線方向)にレーザ光を射出することができる、複数のレーザ素子を2次元に集積すること(2次元アレイ化)ができる、および、各レーザ素子からコヒーレントな光を並列的に射出することができるなどの様々な特徴を有している。このことから、例えば、ストレージ分野、通信分野および情報処理分野などの各分野へ様々な応用が期待され、その研究、開発が進んでいる。 The surface emitting laser can emit laser light substantially perpendicularly (normal direction) from the substrate surface, can integrate a plurality of laser elements two-dimensionally (two-dimensional array), and each laser. It has various features such as coherent light can be emitted in parallel from the element. For this reason, for example, various applications are expected in various fields such as the storage field, the communication field, and the information processing field, and research and development are progressing.
面発光レーザでは、キャリア注入によって光を発生する活性層を多層膜反射鏡(DBR)で上下に挟み込む構造が一般的な基本構造として採用されるが、この他、例えば、2次元フォトニック結晶を用いるものがある。ここで、フォトニック結晶は、一般的に光の波長と同程度もしくはより小さい周期的な屈折率分布を内部に備える光学素子である。フォトニック結晶には、3次元的な屈折率分布を持つ3次元フォトニック結晶や、2次元的な屈折率分布を持つ2次元フォトニック結晶などがある。フォトニック結晶は、半導体において原子核の周期ポテンシャルによって電子(電子波)がブラック反射を受けてバンド構造が形成される現象と同様に、周期的な屈折率分布によって光波がブラッグ反射を受けて光に対するバンド構造(フォトニックバンド構造)が形成されるという特徴を有している。この特徴を利用して、フォトニック結晶によって、様々な光の制御が可能になると期待されている。 In a surface emitting laser, a structure in which an active layer that generates light by carrier injection is sandwiched vertically by a multilayer reflector (DBR) is adopted as a general basic structure. In addition, for example, a two-dimensional photonic crystal is used. There is something to use. Here, the photonic crystal is an optical element that generally has a periodic refractive index distribution that is approximately equal to or smaller than the wavelength of light. Examples of the photonic crystal include a three-dimensional photonic crystal having a three-dimensional refractive index distribution and a two-dimensional photonic crystal having a two-dimensional refractive index distribution. Similar to the phenomenon in which electrons (electron waves) receive black reflections due to the periodic potential of nuclei in semiconductors and band structures are formed in photonic crystals, light waves are subjected to Bragg reflections due to periodic refractive index distribution. A band structure (photonic band structure) is formed. Utilizing this feature, it is expected that various kinds of light can be controlled by the photonic crystal.
例えば、2次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、2次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するものである。例えば、特許文献1等は、従来の2次元フォトニック結晶面発光レーザについて記載されている。図22は、従来の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す斜視図である。より具体的には、図22に示すように、この2次元フォトニック結晶面発光レーザ200では、概略、基板101上に下部クラッド層102、活性層103、上部クラッド層104が積層され、下部クラッド層102には活性層103の近傍に2次元フォトニック結晶120が内蔵されている。
For example, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser includes a photonic crystal periodic structure in which a refractive index period is two-dimensionally arranged in the vicinity of an active layer that emits light by carrier injection, and resonates with the photonic crystal. It emits surface light. For example,
基板101は、例えば、n型InPの半導体材料からなる。下部クラッド層102および上部クラッド層104は、例えば、それぞれn型およびp型InPの半導体層であり、これらは、活性層103よりも屈折率が低い。2次元フォトニック結晶120は、下部クラッド層102に空孔(フォトニック結晶周期構造体121)を形成することで構成される。また、空孔内にはSiN等を充填してもよい。これにより、下部クラッド層102の2次元フォトニック結晶120は、屈折率の異なる媒質が2次元の周期で配列された正方格子や三角格子からなっている。活性層103は、例えば、InGaAs/InGaAsP系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、キャリアの注入により発光する。2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、下部クラッド層102および上部クラッド層104により活性層103を挟んだダブルヘテロ接合を形成し、キャリアを閉じ込めて発光に寄与するキャリアを活性層103に集中させるようになっている。
The
基板101の底面および上部クラッド層104の上面には、金等からなる下部電極106および上部電極107が形成されている。これら下部電極106および上部電極107に電圧を印加することにより活性層103が発光し、活性層103から漏れた光が2次元フォトニック結晶120に入射する。2次元フォトニック結晶120の格子間隔に波長が一致する光は、2次元フォトニック結晶120により共振して増幅される。これにより、上部クラッド層104の上面(電極107の周囲に位置する発光領域108)からコヒーレントな光が面発光される。
A
ここで、図23に示すような正方格子からなる2次元フォトニック結晶120の共振作用について説明する。図23は、2次元フォトニック結晶面発光レーザの共振作用を示す説明図である。2次元フォトニック結晶120は、下部クラッド層102内に空孔121が形成されることで構成されている。空孔121が直交する2方向に同じ周期で形成されることによって正方格子が構成されている。正方格子は、Γ−X方向とΓ−M方向の代表的な方向を有している。Γ−X方向に隣接する空孔121の間隔をaとすると、空孔121を格子点とした一辺がaの正方形からなる基本格子Eが、形成されている。ここで、波長λが基本格子Eの格子間隔aに一致する光LがΓ−X方向に進行すると、光Lは、格子点で2次回折される。このうち、光Lの進行方向に対して0°、±90°、180°の方向に回折された光のみがブラッグ条件を満たす。さらに、0°、±90°、180°の方向に回折された光の進行方向にも格子点が存在するため、回折光は、再度進行方向に対して0°、±90°、180°方向に回折する。光Lが1回または複数回の2次回折を繰り返すと、回折光が元の格子点に戻るため共振作用が生じる。また、紙面に垂直な方向に1次回折された光もブラッグ条件を満たす。このため、共振によって増幅された光が上部クラッド層104を介して出射され、面発光機能を有することになる。また、全ての格子点でこの現象が生じるため、面内全域でコヒーレントなレーザ発振が可能である。なお、特許文献1には、活性層を形成したウェハと、表面に2次元フォトニック結晶120を形成したウェハとを接合(融着)することで2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する方法が記載されている。
Here, the resonance action of the two-dimensional
また、特許文献2には、融着を用いずに2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する方法が記載されている。特許文献2に記載の製造方法は、具体的には、エピタキシャル層と誘電体膜とを有するフォトニック結晶構造工程と、フォトニック結晶構造工程後に、誘電体膜上およびエピタキシャル層上にGaN層を形成する工程とを備えている。この製造方法によると、融着を用いる必要がないことから、製造時にデバイスにダメージを与えることがほとんどない。
また、特許文献3には、上部クラッド層をエピタキシャル成長により形成後、円柱状の凹部を形成することで、フォトニック結晶を構成する2次元フォトニック結晶面発光レーザが記載されている。この2次元フォトニック結晶面発光レーザは、閾値電流が低く、しかも光の偏波面が制御されているという効果を有する。
また、特許文献4には、フォトニック結晶構造体の結晶面に対する断面形状の幅が主たる発光方向に沿って漸減している、2次元フォトニック結晶面発光レーザが記載されている。これにより、高い光利用効率を得ることができる。
前記特許文献1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、製造の際にフォトニック結晶を形成したウェハとフォトニック結晶の真上に配置される活性層を形成したウェハとを融着することで製造する。しかし、ウェハ全面を均一に融着することは、難しく、歩留まりが悪い。また、融着させる材料ごとに最適な融着の条件が異なることから、材料が異なるごとに最適な融着条件を求める必要があり、このように融着条件を変更しなければならず、この製造方法は、煩雑である。融着は、通常還元もしくは不活性雰囲気で高温の状態で行われることから、融着の際にフォトニック結晶の空孔の変形等のダメージが生じる可能性がある。また、フォトニック結晶構造に反りやうねりが発生している場合は、融着が困難になってしまう。したがって、歩留まりが低い。
The two-dimensional photonic crystal surface-emitting laser described in
また、前記特許文献2に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、GaN系を用いる場合にのみ可能であり、他の半導体レーザ材料であるGaAs系やInP系では実現することができない。また、同じGaN系であっても、現状使われているc面と異なる面方位を用いた場合、例えばGaN系緑色レーザやLEDなどで研究が行われている無極性面や半極性面といった面方位の基板を使う場合には、c面上とは成長条件が異なる。また、このように、特殊な製造方法であることから、2次元フォトニック結晶レーザの構成にも制限が生じる可能性がある。
The manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser described in
また、前記特許文献3に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構造において、低閾値化を行うためには、形成する円柱状の凹部の径を小さくする必要があるため、アスペクト比が高くなる。低閾値を実現するような構成とするためには、アスペクト比が高くなりすぎるため、エッチングによる凹部の形成は、実際には困難である。
Further, in the structure of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser described in
また、前記特許文献4に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、前記特許文献1と同様に融着を用いて製造するため、この特許文献1の2次元フォトニック結晶面発光レーザと同様の問題がある。
Further, since the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser described in
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、容易に作製でき、低コストで歩留まりの高い2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can be easily manufactured, has a low cost, and has a high yield, and a method for manufacturing the same. .
本発明の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、2次元フォトニック結晶構造として複数の凹部を形成した第1半導体層を備え、前記凹部の径が深さ方向に沿って徐々に変化しているものであり、このような構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、活性層上に積層された第1半導体層に、前記活性層とは反対側の表面から、前記活性層に近づくほど細くなっていく凹部を形成する工程を含むことによって製造される。このような構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法は、従来に較べて、容易に作製でき、低コストで歩留まりも高い。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present invention includes a first semiconductor layer having a plurality of recesses as a two-dimensional photonic crystal structure, and the diameter of the recesses gradually changes along the depth direction. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having such a configuration is thinned toward the first semiconductor layer stacked on the active layer from the surface opposite to the active layer as it approaches the active layer. It is manufactured by including the process of forming the recessed part which becomes. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having such a configuration and the method for manufacturing the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be easily manufactured, have a low cost, and have a high yield.
上記並びにその他の本発明の目的、特徴および利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
以下、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。図1において、第1実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、基板1と、基板1の一方の主面上に形成された第2半導体層である第2クラッド層2と、第2クラッド層2上に形成された活性層3と、活性層3上に形成されるキャリアストップ層4と、キャリアストップ層4上に形成された第1クラッド層5と、第1クラッド層5上に形成されたコンタクト層6と、コンタクト層6上に形成された円環状(リング状、ドーナツ状)の第1電極7と、基板1における前記一方の主面に対向する他方の主面上の全面に形成された第2電極8とを備えて構成される。なお、コンタクト層6上において第1電極7が形成されていない箇所は、光が発光される発光面9である。そして、半導体からなる第1クラッド層5およびコンタクト層6において、それらの発光面9側(活性層3と反対側)の主面すなわち第1電極7との境界面から加工がなされることで、第1クラッド層5およびコンタクト層6には、複数の凹部10が周期的に配置されるように形成されている。これにより、コンタクト層6、第1クラッド層5およびキャリアストップ層4からなる第1半導体層は、2次元フォトニック結晶構造を有する。なお、第1電極7側から加工がなされるので、凹部10は、コンタクト層6において第1電極7と接する側の表面には少なくとも形成されている。このフォトニック結晶構造は、活性層3でレーザ発振する光の波長を選択する。なお、凹部10の径は、深さ方向に沿って徐々に変化している。より具体的には、積層方向に沿った面による断面形状において、凹部10および凹部10以外の半導体部分は、いわゆるテーパ形状を有する。(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a two-dimensional photonic crystal
基板1は、例えばn型のGaAs基板である。第2クラッド層2は、例えば、電子をキャリアとするn型の半導体層であり、例えば、n型Al0.4Ga0.6Asで形成されている。キャリアストップ層4は、例えば、ホール(正孔)をキャリアとするp型の半導体層であり、例えば、p型Al0.6Ga0.4Asで形成されている。第1クラッド層5も、例えば、ホール(正孔)をキャリアとするp型の半導体層であり、例えば、p型AlxGa(1−x)Asで形成されている。コンタクト層6も、例えば、ホール(正孔)をキャリアとするp型の半導体層であり、例えば、p+型GaAsで形成されている。なお、第1半導体層および第2半導体層における各層の導電型は、上述のものに限られるわけではない。2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、例えば、埋め込みトンネル接合(BTJ:Buried Tunnel Junction)型のように、活性層の上層に、異なる導電型であるp型およびn型の半導体層を有する構造でもよい。The
活性層3は、上述のように、第2クラッド層2からなる第2半導体層と、コンタクト層6、第1クラッド層5およびキャリアストップ層4からなる第1半導体層とに挟まれており、キャリア注入によって光を発生(発光)する。なお、活性層3と第1クラッド層5との間にはキャリアストップ層4が配置されている。活性層3は、公知の一般的な材料および構造を採用することができ、使用用途に応じた波長を発光するように材料や構造などが選択される。活性層3は、例えば、3周期のInGaAs井戸層、GaAs障壁層および分離閉じ込め層(SCH(Separate Confinement Heterostructure)層)により構成されている歪み量子井戸構造であってよい。
As described above, the
第1および第2クラッド層5、2は、活性層3の屈折率よりも低い屈折率の材料で形成され、下部および上部クラッド層の機能を兼ね備えている。また、第1クラッド層5の屈折率は、第2クラッド層2の屈折率よりも高いことが好ましい。このように、第1クラッド層5の屈折率を第2クラッド層2の屈折率よりも高くすることで、2次元フォトニック結晶構造が形成された場合に、第1クラッド層5の平均屈折率が低下し過ぎることがない。これにより、フォトニック結晶構造が形成された層に分布する光の割合の減少を防ぐことから、結合係数κの低下を防ぐことができる。
The first and second cladding layers 5 and 2 are formed of a material having a refractive index lower than that of the
そして、この2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、活性層3を挟んでダブルへテロ接合を形成し、キャリアを閉じ込めて、発光に寄与するキャリアを活性層3に集中させている。コンタクト層6は、第1電極7と第1クラッド層5との間に配置され、これらを電気的に接続させている。キャリアストップ層4は、キャリアオーバーフローによって活性層3から第1クラッド層5へ向かう電子に対する電位障壁として機能する。なお、第1クラッド層5と活性層3との間にはキャリアストップ層4が配置されていなくてもよい。また、第1クラッド層5と活性層3との間に他の層が介在していてもよい。
The two-dimensional photonic crystal
第1および第2電極7、8は、例えばITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウムスズ)電極や金系電極などから構成され、第1電極7と第2電極8との間に電圧を印加することによって活性層3にキャリアが注入され、所定値以上の電圧値で活性層3が発光するようになっている。なお、第1および第2電極7、8は、導電性を有するだけでなく、発光面側においては、この2次元フォトニック結晶面発光レーザ100が発光するレーザ光の波長に対して透明であり、導電性を有する材料を用いた透明電極であることが好ましい。したがって、ITO電極とすることが好ましい。なお、発光面9側に設置された第1電極7は、開口を形成し、第2電極8は、基板1全面に形成されている。このような構成とすることで、第1電極7が形成された側の面から選択的にレーザ光が射出される。なお、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、第1電極7の一部または全部を透明電極とし、開口を形成せずに、発光面9の全面に第1電極7が形成された構成であってもよい。このような構成では、透明電極を介して、レーザ光が射出される。
The first and
また、本実施の形態では、第1クラッド層5の上面がレーザ光を射出する射出面(発光面9)となっているが、例えば、基板1の底面を発光面とすることも可能である。具体的には、基板1は、取り出す光の波長帯に対して透明な材料とし、第1電極7をコンタクト層6の全面に形成し、第2電極8に開口を形成すればよい。これにより、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、第2電極8に形成された開口からレーザ光を射出することができる。なお、この場合も、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、第2電極8の一部または全部を透明電極とし、開口を形成せずに、基板1の全面に第2電極8が形成された構成であってもよい。これにより、透明電極を介して、レーザ光が射出される。
In the present embodiment, the upper surface of the
第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された2次元フォトニック結晶構造において、2次元の周期的な屈折率分布は、第1クラッド層5を形成する材料の屈折率と異なる屈折率の材料が格子点として互いに異なる2方向(線形独立な2方向)に所定の周期(格子間隔、格子定数)で配列されることによって形成されている。格子点は、本実施の形態では、例えば、第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された錐状の凹部10から構成される。なお、凹部10は、コンタクト層6および第1クラッド層5だけでなく、キャリアストップ層4まで到達していてもよいが、活性層3には到達しないことが好ましい。凹部10が活性層3に到達、すなわちフォトニック結晶と活性層3とが近接すると、エッチング時に活性層3へのダメージが生じる可能性がある。
In the two-dimensional photonic crystal structure formed in the
ここで、コンタクト層6の上面における半導体および凹部10において、半導体の占める面積の割合を表面側FFとし、また、第1クラッド層5内において凹部10の底面を含む平面による断面を仮想した場合に、この断面における半導体および凹部10において、半導体の占める面積の割合を活性層側FFとする。上述のように、凹部10の断面は、テーパ形状であるため、表面側FFと活性層側FFは異なる値となる。このように、凹部10の断面形状がテーパ状であることから、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値が高く、かつ、光閉じ込め効果が高い。そして、凹部10の形成が容易となる。例えば、凹部10は、エッチングにより形成されるが、その形成難度の低下を実現できる。また、活性層側FFは、表面側FFよりも大きいことが好ましい。すなわち、凹部10は、活性層3に近づくほど細くなるテーパ形状を有する。そのため、活性層3に近づくほど太くなるテーパ形状である凹部10に比べて、容易に作製することができる。また、表面側FFは0.8以下であって、前記活性層側FFは0.8以上であることが好ましい。これにより、2次元フォトニック結晶における高い結合係数κおよび第1クラッド層5による高い光閉じ込め効果を得ることができる。そして、2次元フォトニック結晶の製造が容易である。
Here, in the semiconductor and the
また、第1クラッド層5の厚さは、第1クラッド層5の屈折率にもよるが0.3μm〜1.0μm程度が好ましい。さらに好ましくは、0.5μm前後である。これにより、アスペクト比が小さくなり凹部10の形成が容易であり、光閉じ込め効果も十分得ることができる。なお、第1クラッド層5が薄すぎると光閉じ込めが不十分になり、第1電極7による光の吸収が問題になる。一方、第1クラッド層5が厚すぎると、アスペクト比が高くなり凹部10の形成が困難となる。
The thickness of the
上述の本実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100は、第1電極7および第2電極8間に電圧が印加されることで活性層3が発光する。活性層3から漏れた光がコンタクト層6および第1クラッド層5に形成された2次元フォトニック結晶構造に入射し、その格子間隔に波長が一致する光は、2次元フォトニック結晶により共振して増幅され、発光面9からコヒーレントな光が発光される。
In the two-dimensional photonic crystal
ここで、このような2次元フォトニック結晶を備えたレーザの結合係数κについて説明する。このような回折格子結合型のレーザにおける重要なパラメータとして、回折格子の結合係数κが挙げられる。ここで、フォトニック結晶構造は、回折格子であり、2次元フォトニック結晶構造は、2次元回折格子なので、2次元フォトニック結晶レーザは、通常の1次元回折格子を使ったDFB(distributed feedback laser:分布帰還型)レーザと同様に考えることができる。結合係数κは、回折格子に光が結合する割合を示す値である。結合係数κは、1次元回折格子を用いたDFBレーザにおいて、公知の1次元結合波理論を用いて下記の式(1)により表される(例えば、W. Streifer他、”Coupled Wave Analysis of DFB and DBR Lasers”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-13, No.4, pp.134, 1977参照)。 Here, the coupling coefficient κ of a laser including such a two-dimensional photonic crystal will be described. An important parameter in such a diffraction grating coupled laser is the coupling coefficient κ of the diffraction grating. Here, since the photonic crystal structure is a diffraction grating and the two-dimensional photonic crystal structure is a two-dimensional diffraction grating, the two-dimensional photonic crystal laser is a DFB (distributed feedback laser) using a normal one-dimensional diffraction grating. : Distributed feedback type) laser can be considered in the same way. The coupling coefficient κ is a value indicating the rate at which light is coupled to the diffraction grating. The coupling coefficient κ is expressed by the following equation (1) using a known one-dimensional coupled wave theory in a DFB laser using a one-dimensional diffraction grating (for example, W. Streifer et al., “Coupled Wave Analysis of DFB”). and DBR Lasers ”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-13, No. 4, pp. 134, 1977).
ここで、回折格子に対して垂直な方向がxとされ、光伝搬方向がzとされている。また、k0は、自由空間での波数であり、β0はz方向の伝搬定数であり、Aq、は、屈折率の二乗をz方向についてフーリエ展開したときのq次成分であり、ε0は、電界振幅であり、ε0 *(x)は、その共役複素数であり、Pは、{ε0(x)ε0 *(x)}をx方向全体に積分したものである。1次元回折格子の断面が矩形である場合は、より簡便に下記の式(2)で表される。Here, the direction perpendicular to the diffraction grating is x, and the light propagation direction is z. K 0 is the wave number in free space, β 0 is the propagation constant in the z direction, A q is the q-order component when the square of the refractive index is Fourier-expanded in the z direction, and ε 0 is the electric field amplitude, ε 0 * (x) is its conjugate complex number, and P is obtained by integrating {ε 0 (x) ε 0 * (x)} over the entire x direction. When the cross section of the one-dimensional diffraction grating is rectangular, it is represented by the following formula (2) more simply.
ここでn1、n2は、1次元回折格子を構成する材料の屈折率であり、mは、ブラッグ回折の次数であり、Γgratingは、1次元回折格子層に分布する光の割合(光閉じ込め係数)であり、wは、1次元回折格子における溝の幅であり、Λは、1次元回折格子の周期である。式(2)から分かるように、結合係数κは、「1次元回折格子を構成する材料の屈折率差」、「1次元回折格子層に分布する光の割合」、「1次元回折格子における溝の幅」により決まる。Here, n 1 and n 2 are the refractive indexes of the materials constituting the one-dimensional diffraction grating, m is the order of Bragg diffraction, and Γ grating is the proportion of light distributed in the one-dimensional diffraction grating layer (light Confinement factor), w is the width of the groove in the one-dimensional diffraction grating, and Λ is the period of the one-dimensional diffraction grating. As can be seen from the equation (2), the coupling coefficient κ is “the refractive index difference of the material constituting the one-dimensional diffraction grating”, “the ratio of the light distributed in the one-dimensional diffraction grating layer”, “the groove in the one-dimensional diffraction grating”. Width ".
式(2)を用いて、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100における結合係数κとFilling Factor(以下、FFという)すなわち2次元フォトニック結晶構造全体における高屈折率部分の割合との関係を計算により求める。なお、FFは、具体的には(1−w/Λ)で表される。このように、1次元回折格子(1次元フォトニック結晶構造)の場合は、1から、1次元フォトニック結晶構造における周期に対する溝の割合を減じた値であるが、2次元フォトニック結晶構造の場合は、2次元フォトニック結晶の単位格子を考えたときに、単位格子における凹部(低屈折率材料)の面積の割合を1から減じた値である。なお、計算においては、2次元フォトニック結晶面発光レーザとしては、図2に示した構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザを用いる。図2は、結合係数κとFilling Factorを計算により求めるために用いた2次元フォトニック結晶面発光レーザのモデル構成を示す断面図である。なお、図2においては、計算には用いないため、電極については省略している。図2において、基板21は、屈折率が3.524であるGaAsとし、厚さは、無限大とした。第2クラッド層22は、屈折率が3.306であるAl0.4Ga0.6Asとし、厚さは、2.0μmとした。活性層23は、SCH−MQW(Multiple Quantum Well:多重量子井戸)構造であり、屈折率が3.539であり、厚さは、0.144μmとした。また、キャリアストップ層24は、屈折率が3.195であるAl0.6Ga0.4Asとし、厚さは、0.04μmとした。また、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有していない箇所25bは、屈折率が3.306であるAl0.4Ga0.6Asとし、厚さは0.04μmとした。また、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有している箇所25aは、屈折率が3.306であるAl0.4Ga0.6Asと、屈折率が1.5である材料30(例えばSiO2)とが、図2に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは、1.96μmとした。また、コンタクト層26は、屈折率が3.5242であるGaAsと、屈折率が1.5である材料30(例えばSiO2)とが、図2に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは、0.02μmとした。また、コンタクト層26の上層には、屈折率が1.0の空気が無限大の厚さで配置されていることとした。このような2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、回折次数mを2と仮定して、式(2)を用いることによって結合係数κとFFとの関係が求められた。なお、上述のように、式(2)は、1次元回折格子(1次元フォトニック結晶構造)における計算式であるが、2次元フォトニック結晶の場合の計算においても、簡便な近似として用いることができる。なお、Γgratingは、スラブ導波路を仮定し、転送行列法で計算した。また、光の波長は、980nmを仮定した。Using Equation (2), the relationship between the coupling coefficient κ in the two-dimensional photonic crystal
式(2)により計算した結果が図3に表されている。図3は、1次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。なお、フォトニック結晶構造における材料30(例えばSiO2)の断面形状は、テーパ状ではなく直方体状の場合、すなわちフォトニック結晶に形成される凹部は、柱状の場合について、まず計算する。図3に示すように、FFは、結合係数κに大きく依存し、FF=0.9付近で極大値を持つ。2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、結合係数κが大きいほど、フォトニック結晶構造による特性がより強く生じるため、好ましい。しかし、FF=0.9とすると、1次元フォトニック結晶構造とした場合は、その周期に対して溝の幅が0.1であることから、例えば周期を300nmとすると、溝の幅が30nmとなり、パターン形状が微細化するため製造が困難である。また、2次元フォトニック結晶としても、直径100nm程度の円柱状の凹部を形成する必要があり、パターン形状が微細化するため製造が困難である。より具体的には、1次元フォトニック結晶構造であれば、一般的なレーザとして上部クラッド層である第1クラッド層25の厚さを2μmとすればエッチング深さは1.9μm程度必要であることから、アスペクト比は、60となり、2次元フォトニック結晶構造であればアスペクト比は、20となり、非常に高いアスペクト比の周期構造が必要である。したがって、加工難度が高い。The result calculated by equation (2) is shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ obtained using the one-dimensional coupled wave theory and the filling factor. Note that the cross-sectional shape of the material 30 (for example, SiO 2 ) in the photonic crystal structure is first calculated in the case of a rectangular parallelepiped shape rather than the taper shape, that is, the case where the concave portion formed in the photonic crystal is columnar. As shown in FIG. 3, the FF greatly depends on the coupling coefficient κ, and has a maximum value near FF = 0.9. In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the larger the coupling coefficient κ, the better the characteristics due to the photonic crystal structure. However, when FF = 0.9, when the one-dimensional photonic crystal structure is used, the groove width is 0.1 with respect to the period. For example, when the period is 300 nm, the groove width is 30 nm. Therefore, since the pattern shape is miniaturized, it is difficult to manufacture. In addition, it is necessary to form a cylindrical recess having a diameter of about 100 nm as a two-dimensional photonic crystal, which is difficult to manufacture because the pattern shape is miniaturized. More specifically, in the case of a one-dimensional photonic crystal structure, an etching depth of about 1.9 μm is required if the thickness of the first cladding layer 25 that is the upper cladding layer is 2 μm as a general laser. Therefore, the aspect ratio is 60, and if the two-dimensional photonic crystal structure is used, the aspect ratio is 20, and a periodic structure with a very high aspect ratio is required. Therefore, the processing difficulty is high.
また、一般的に、1次元フォトニック結晶構造を有するレーザにおいては、結合係数κは1000cm−1以上が必要であるとされている(例えば、D. Ohnishi他、Optics Express, vol.12, No.8, pp.1562, 2004参照)。しかし、図3に示された極大値は、500cm−1であることから、図2に示した2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成では好ましい特性を得ることができない。これは、本実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザは、第1クラッド層25の表面から加工することでフォトニック結晶構造を形成することから、上部クラッド層である第1クラッド層25に低屈折率材料である材料30が充填された部分が形成されているため、第1クラッド層25全体の平均屈折率が低下し、Γgratingが小さくなっているためであると考えられる。In general, in a laser having a one-dimensional photonic crystal structure, the coupling coefficient κ is required to be 1000 cm −1 or more (for example, D. Ohnishi et al., Optics Express, vol. 12, No. .8, pp.1562, 2004). However, since the maximum value shown in FIG. 3 is 500 cm −1 , favorable characteristics cannot be obtained with the configuration of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser shown in FIG. This is because the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present embodiment forms a photonic crystal structure by processing from the surface of the first cladding layer 25, and thus the first cladding layer 25 which is the upper cladding layer. This is probably because the average refractive index of the entire first cladding layer 25 is lowered and Γ grating is reduced because the portion filled with the material 30 which is a low refractive index material is formed.
結合係数κを増加させるためには、例えば、Al0.4Ga0.6Asである第1クラッド層25のうち、Alの組成を変化させて、第1クラッド層25の屈折率を増加させる方法が考えられる。より具体的には、Alの組成を40%から0%へと減少させた場合について、式(2)を用いて計算が実行され、その計算結果が図4に示されている。図4は、第1クラッド層のAl組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図4に示されているように、Alの組成を30%以下とした場合は、結合係数κの極大値が、上述した必要とされる値である1000cm−1を超えている。また、さらにAlの組成を下げることで、結合係数κは、5000cm−1以上となり、大幅に向上していることが分かる。このように、第1クラッド層25の屈折率を高く設計することで、十分な結合係数κが得られる。In order to increase the coupling coefficient κ, for example, the refractive index of the first cladding layer 25 is increased by changing the composition of Al in the first cladding layer 25 of Al 0.4 Ga 0.6 As. A method is conceivable. More specifically, for the case where the Al composition is decreased from 40% to 0%, the calculation is performed using Equation (2), and the calculation result is shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor when the Al composition of the first cladding layer is changed. As shown in FIG. 4, when the Al composition is 30% or less, the maximum value of the coupling coefficient κ exceeds the required value of 1000 cm −1 described above. It can also be seen that by further reducing the Al composition, the coupling coefficient κ becomes 5000 cm −1 or more, which is significantly improved. Thus, a sufficient coupling coefficient κ can be obtained by designing the refractive index of the first cladding layer 25 to be high.
また、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、高アスペクト比の周期構造を有することから、加工が困難である点を改善するために、第1クラッド層25の厚さを薄くすればよい。しかし、薄すぎると第1クラッド層25の光閉じ込め効果が弱くなり、第1電極7による光吸収が増大し、発振閾値が上昇するという問題が生じる。それにより、発振しないという問題も生じ得る。そこで、十分な光閉じ込め効果を有する第1クラッド層25の厚さが計算により求められた。この計算には、図5に示す構成のレーザが用いられた。図5は、第1クラッド層の厚さと光閉じ込めの強さの関係を求めるために用いたレーザのモデル構成を示す断面図である。図5に示すように、第2クラッド層に光閉じ込め効果を算出するため用いたモデルは、n型のGaAs基板である基板31と、n型Al0.4Ga0.6Asで形成された第2クラッド層32と、活性層33と、p型Al0.6Ga0.4Asで形成されたキャリアストップ層34と、p型AlxGa(1−x)Asで形成された第1クラッド層35と、p+型GaAsで形成されたコンタクト層36とが順次積層された構成である。また、光の波長は、先ほどの計算と同様に、980nmを仮定している。In addition, since the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has a periodic structure with a high aspect ratio, the thickness of the first cladding layer 25 may be reduced in order to improve the difficulty in processing. However, if the thickness is too thin, the light confinement effect of the first cladding layer 25 is weakened, and light absorption by the
図5に示したモデルにおいて、第1クラッド層35のAl組成を、通常のレーザで用いられる40%とした場合の第1クラッド層35の厚さとコンタクト層36の表面にしみだす光の割合が計算され、図6に示されている。さらに、Alの組成が0%の場合に、第1クラッド層35とコンタクト層36とに回折格子(1次元もしくは2次元)を形成した場合に、そのFFを変化させて第1クラッド層35の厚さとコンタクト層36にしみ出す光の割合とが計算され、図6に示されている。なお、FFは、0.9から0.6まで変化させている。図6は、転送行列法を用いて求めた第1クラッド層厚さとコンタクト層にしみだす光の割合との関係を表すグラフである。図6に示すように、結合係数κが最適の値となる、FF=0.9の場合は、コンタクト層36にしみだす光の割合が、回折格子がない場合に比べると1桁以上増加しており、第1クラッド層35の光閉じ込め効果が弱いことが分かる。一方、FFを0.8以下にすれば、通常のAl組成40%よりも強い光閉じ込め効果が得られる。この場合、第1クラッド層35の厚さは、0.5〜1μmまたはそれ以下の厚さという、通常のレーザにおける上部クラッド層の厚さよりも薄い状態であっても、十分に強い光閉じ込め効果が得られる。したがって、第1クラッド層35の厚さは、0.3μm〜1.0μm程度が好ましい。さらに好ましくは、0.5μm前後とすればよい。これにより、十分な光閉じ込め効果を得ながら、アスペクト比が小さくなる。これにより、凹部の形成が容易になる。具体的には、エッチング加工の難度が下がる。
In the model shown in FIG. 5, when the Al composition of the
上述のように、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける結合係数κの増加およびアスペクト比を減少させる方法が、計算により求められた。しかしながら、上述の計算において用いた式(2)は、1次元回折格子(1次元フォトニック結晶構造)におけるものである。1次元フォトニック結晶構造に関する式であっても、2次元フォトニック結晶構造の解析において、近似的に用いることができるが、以下では、より厳密な解を求めるために、2次元フォトニック結晶における結合係数κの厳密な解法を用いて、同様の計算が行われる。なお、2次元フォトニック結晶構造における厳密な解法は、例えば、公知の2次元回折格子に対する2次元の結合波理論が用いられた。この理論は、例えば、「K. Sakai他、”Coupled-wave model for square-lattice two-dimensional photonic crystal with transverse-electric-like mode”, Applied Physics Letters, vol.89, 021101 (2006)」に示されている。まず、図2に示したモデルを用いて、結合係数κとFFとの関係が求められた。各層の屈折率および厚さも上述した値と同一とする。また、格子点形状は、真円を仮定し、1次元(1D)の場合および2次元(2D)の場合のどちらも180°方向への回折に対する結合係数κが計算された。 As described above, a method for increasing the coupling coefficient κ and decreasing the aspect ratio in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has been calculated. However, Equation (2) used in the above calculation is for a one-dimensional diffraction grating (one-dimensional photonic crystal structure). Even if it is a formula related to the one-dimensional photonic crystal structure, it can be used approximately in the analysis of the two-dimensional photonic crystal structure. Similar calculations are performed using an exact solution of the coupling coefficient κ. For the exact solution in the two-dimensional photonic crystal structure, for example, a two-dimensional coupled wave theory for a known two-dimensional diffraction grating is used. This theory is shown, for example, in “K. Sakai et al.,“ Coupled-wave model for square-lattice two-dimensional photonic crystal with transverse-electric-like mode ”, Applied Physics Letters, vol. 89, 021101 (2006)”. Has been. First, the relationship between the coupling coefficient κ and FF was determined using the model shown in FIG. The refractive index and thickness of each layer are also the same as those described above. Further, assuming that the lattice point shape is a perfect circle, the coupling coefficient κ for diffraction in the 180 ° direction was calculated in both the one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) cases.
図7は、1次元結合波理論および2次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図7に示されているように、1次元フォトニック結晶構造の場合(1D計算)の極大値に対して、2次元フォトニック結晶構造の場合(2D計算)の極大値は、0.5倍程度になっている。このことから、上述したように、一般的に、2次元フォトニック結晶レーザの結合係数κを1次元結合波理論で近似的に見積もった場合は、低閾値発振には1000cm−1以上の結合係数κが必要である。ここで、図7に示された結果より、2次元フォトニック結晶レーザの結合係数を2次元結合波理論で見積もった場合には、500cm−1以上が必要であると考えられる。また、2次元結合波理論を用いて、第1クラッド層25のAl組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係が計算により求められた。なお、計算において、図4に示したグラフを求めた条件と同様の条件について、結合係数κとFilling Factorとの関係が計算され、その計算結果が図8に示されている。図8は、2次元結合波理論を用いて求めた、第1クラッド層のAl組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図4と図8とを比較すればわかるように、両者は若干の違いはあるが、どちらもFF=0.9〜0.95で極大値を取るという同じ傾向を示している。したがって、1次元結合波理論を用いて、2次元フォトニック結晶の解析を行うことは、有効な近似であることが分かる。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor determined using the one-dimensional coupled wave theory and the two-dimensional coupled wave theory. As shown in FIG. 7, the maximum value in the case of the two-dimensional photonic crystal structure (2D calculation) is 0.5 times the maximum value in the case of the one-dimensional photonic crystal structure (1D calculation). It is about. Therefore, as described above, generally, when the coupling coefficient κ of a two-dimensional photonic crystal laser is approximately estimated by the one-dimensional coupled wave theory, a coupling coefficient of 1000 cm −1 or more is required for low threshold oscillation. κ is required. Here, from the result shown in FIG. 7, when the coupling coefficient of the two-dimensional photonic crystal laser is estimated by the two-dimensional coupled wave theory, it is considered that 500 cm −1 or more is necessary. Further, using the two-dimensional coupled wave theory, the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor when the Al composition of the first cladding layer 25 is changed was obtained by calculation. In the calculation, the relationship between the coupling coefficient κ and the Filling Factor is calculated under the same conditions as those for obtaining the graph shown in FIG. 4, and the calculation result is shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient κ and the filling factor obtained by changing the Al composition of the first cladding layer, which is obtained using the two-dimensional coupled wave theory. As can be seen from a comparison between FIG. 4 and FIG. 8, there is a slight difference between the two, but both show the same tendency of taking a maximum value at FF = 0.9 to 0.95. Therefore, it can be understood that the analysis of the two-dimensional photonic crystal using the one-dimensional coupled wave theory is an effective approximation.
上述した計算結果より、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶構造のFFは、0.9近傍が好ましい。しかしながら、クラッド層の光閉じ込めおよび加工難易度の点から、FFは、0.8以下が好ましく、さらに好ましくは0.7以下である。このように、好ましいFFの値が異なるが、これら好ましい条件を共に含むこととするために、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける2次元フォトニック結晶構造の断面形状をテーパ状とすることが好ましい。つまり、凹部10(図1を参照)において、断面形状において表面側FFと活性層側FFとが異なっていることが好ましい。図9は、本発明の実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの要部拡大図である。より具体的には、図1に示した2次元フォトニック結晶面発光レーザ100におけるフォトニック結晶構造部分の拡大図である。なお、表面側FFとは、コンタクト層6の主面の内、発光面側の主面におけるFFをいう。また、活性層側FFとは、第1クラッド層5に形成された凹部10の底面に沿った面10aにおけるFFをいう。
From the above calculation results, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the FF of the photonic crystal structure is preferably near 0.9. However, FF is preferably 0.8 or less, more preferably 0.7 or less, from the viewpoint of optical confinement of the cladding layer and processing difficulty. Thus, although the preferable FF values are different, in order to include both of these preferable conditions, the cross-sectional shape of the two-dimensional photonic crystal structure in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is preferably tapered. . That is, in the concave portion 10 (see FIG. 1), it is preferable that the surface side FF and the active layer side FF are different in cross-sectional shape. FIG. 9 is an enlarged view of a main part of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 2 is an enlarged view of a photonic crystal structure portion in the two-dimensional photonic crystal
以下、好ましい表面側FFおよび活性層側FFの値について、計算により求める。計算には、図2に示した構成のモデルが用いられ、第1クラッド層25以外は、条件も上述したものと略同じとする。第1クラッド層25については、AlxGa(1−x)AsであってAl組成は、0%とする。具体的には、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有していない箇所25bは、屈折率が3.5242であるAl0.0Ga1.0Asとし、厚さは、0.04μmとした。また、第1クラッド層25のうちフォトニック結晶構造を有している箇所25aは、屈折率が3.5242であるAl0.0Ga1.0Asと、屈折率が1.5である材料30とが、図2に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは、0.5μmまたは0.9μmとした。また、第1クラッド層25およびコンタクト層26における凹部深さも変更する。なお、凹部深さは、材料30の深さ方向の長さに当たる。具体的には、第1クラッド層25全体の厚さが0.54μmまたは0.94μmとして計算された。なお、第1クラッド層25全体の厚さを0.54μmとする場合は、フォトニック結晶構造を有している箇所25aの厚さは、0.5μmとし、第1クラッド層25全体の厚さを0.94μmとする場合は、フォトニック結晶構造を有している箇所25aの厚さは、0.9μmとする。また、コンタクト層26の厚さは、0.02μmであることから、なお、第1クラッド層25全体の厚さを0.54μmとする場合の凹部深さは、0.52μmであり、第1クラッド層25全体の厚さを0.94μmとする場合の凹部深さは、0.92μmである。Hereinafter, preferable values of the surface side FF and the active layer side FF are obtained by calculation. For the calculation, the model having the configuration shown in FIG. 2 is used, and the conditions other than the first cladding layer 25 are substantially the same as those described above. The first cladding layer 25 is AlxGa (1-x) As and the Al composition is 0%. Specifically, the portion 25b of the first cladding layer 25 that does not have a photonic crystal structure is Al 0.0 Ga 1.0 As having a refractive index of 3.5242, and the thickness is 0. The thickness was 04 μm. Further, the portion 25a having the photonic crystal structure in the first cladding layer 25 is made of Al 0.0 Ga 1.0 As having a refractive index of 3.5242 and a material having a refractive index of 1.5. 30 are alternately and periodically formed as shown in FIG. 2, and the thickness is 0.5 μm or 0.9 μm. Further, the depths of the recesses in the first cladding layer 25 and the
なお、計算には、2次元結合波理論が用いられた。そして、表面側FFおよび活性層側FFの値をそれぞれ0.0〜1.0まで変化させたときの180°方向への回折の結合係数κおよびコンタクト層26へしみだした光の割合が計算された。図10は、凹部深さが0.52μmの場合の表面側FF(Filling Factor)および活性層側FF(Filling Factor)に対する計算結果を示すグラフであって、図10(A)は、結合係数κの値を示すグラフであり、図10(B)は、コンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。
For the calculation, a two-dimensional coupled wave theory was used. Then, when the values of the surface side FF and the active layer side FF are changed from 0.0 to 1.0, the diffraction coupling coefficient κ in the 180 ° direction and the ratio of the light oozing out to the
図10(A)および図10(B)より、凹部深さが0.52μmである場合は、活性層側FFが0.8以上であれば表面側FFの広い範囲において、結合係数κは、500cm−1以上である。特に、表面側FFが0.9付近では結合係数κは、1500cm−1を超えている。また、表面側FFが0.8以下であれば第1クラッド層25およびコンタクト層26を合わせた厚さが約0.5μm(正確には、0.56μm)と薄いにもかかわらず、コンタクト層26へのしみだしは、0.01%以下であることから、十分な光閉じ込め効果が得られていると言える。したがって、活性層側FFは、0.8以上が好ましく、さらに好ましくは0.9以上である。また、表面側FFは、0.8以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めが両立できるという効果を奏する。なお、表面側FFが小さすぎると、2次元フォトニック結晶構造における凹部の間に存在する半導体の部分が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100の平面視においてコンタクト層6の面積が小さいほど、それらの上に形成される第1電極7の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題も生じる(図1参照)。したがって、表面側FFが小さすぎるのは好ましくなく、表面側FFは0.4以上とすることが好ましい。From FIG. 10 (A) and FIG. 10 (B), when the depth of the recess is 0.52 μm, the coupling coefficient κ is as follows in a wide range of the surface side FF if the active layer side FF is 0.8 or more. 500 cm −1 or more. In particular, when the surface side FF is around 0.9, the coupling coefficient κ exceeds 1500 cm −1 . In addition, if the surface side FF is 0.8 or less, the contact layer is thin although the total thickness of the first cladding layer 25 and the
また、本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100では、その製造において、半導体を積層後、半導体表面からエッチング等を行うことでフォトニック結晶構造が形成される。このような加工方法を用いることを考えると、加工難度の点から、活性層側FFが表面側FFと同一または大きいことが好ましい。つまり、フォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、凹部10は、活性層側に近づくほど細くなるテーパ形状あるいはテーパ形状でなく直方体であることが好ましい。
Further, in the two-dimensional photonic crystal
次に、凹部深さが0.92μmである場合の表面側FFおよび活性層側FFに対する計算結果について説明する。図11は、凹部深さが0.92μmである場合の表面側FF(Filling Factor)および活性層側FF(Filling Factor)に対する計算結果を示すグラフであって、図11(A)は、結合係数κの値を示すグラフであり、図11(B)は、コンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。 Next, calculation results for the surface-side FF and the active layer-side FF when the recess depth is 0.92 μm will be described. FIG. 11 is a graph showing the calculation results for the surface side FF (Filling Factor) and the active layer side FF (Filling Factor) when the depth of the recess is 0.92 μm. FIG. It is a graph which shows the value of (kappa), FIG.11 (B) is a graph which shows the ratio of the light which oozed out to the contact layer.
図11(A)および図11(B)より、凹部深さが0.92μmである場合は、活性層側FFが0.8以上であれば表面側FFの全範囲において、結合係数κは、500cm−1以上である。特に、表面側FFが0.9付近では結合係数κは、2000cm−1を超えている。また、表面側FFが0.9以下であれば第1クラッド層25およびコンタクト層26を合わせた厚さが約1.0μm(正確には、0.96μm)と薄いにもかかわらず、コンタクト層26へのしみだしは0.01%以下であることから、十分な光閉じ込め効果が得られていると言える。したがって、活性層側FFは、0.8以上が好ましく、さらに好ましくは0.9以上である。また、表面側FFは、0.9以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めとが両立できるという効果を奏する。なお、表面側FFが小さすぎると、2次元フォトニック結晶構造における凹部の間に存在する半導体の部分が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100の平面視においてコンタクト層6の面積が小さいほど、それらの上に形成される第1電極7の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題も生じる(図1参照)。したがって、表面側FFが小さすぎるのは好ましくなく、表面側FFは、0.4以上とすることが好ましい。From FIG. 11 (A) and FIG. 11 (B), when the depth of the recess is 0.92 μm, the coupling coefficient κ is 500 cm −1 or more. In particular, the coupling coefficient κ exceeds 2000 cm −1 when the surface side FF is around 0.9. Further, if the surface side FF is 0.9 or less, the contact layer is thin although the total thickness of the first cladding layer 25 and the
また、本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100では、その製造において、半導体を積層後、半導体表面からエッチング等を行うことでフォトニック結晶構造が形成される。このような加工方法を用いることを考えると、加工難度の点から、活性層側FFが表面側FFと同一または大きいことが好ましい。
Further, in the two-dimensional photonic crystal
なお、上述の計算においては、AlxGa(1−x)Asである第1クラッド層25のAl組成を0%とし、その厚さを0.54μm、0.94μmとしている。ここで、Al組成を高くして、第1クラッド層25の平均屈折率を高くすれば、第1クラッド層25の厚さを0.3μm以下程度にしても、十分な光閉じ込め効果を得ることができる。したがって、さらに加工難度を低下させることができる。なお、加工難度が高くなっても、加工が可能であれば、第1クラッド層25の厚さを0.54μmより厚い、例えば0.75μm〜1.0μmにすることで、図10と図11との比較から分かるように、結合係数κの値を全体的に大きくするとともに、コンタクト層26にしみだす光の割合を小さくすることができる。これにより、結合係数κが500cm−1よりも大きい値を得ることができるFFの範囲が広くなる、およびコンタクト層26への光のしみだしをさらに低減でき、上部電極での光の吸収をさらに抑制できることが分かる。In the above calculation, the Al composition of the first cladding layer 25 made of AlxGa (1-x) As is set to 0%, and the thicknesses are set to 0.54 μm and 0.94 μm. Here, if the Al composition is increased and the average refractive index of the first cladding layer 25 is increased, a sufficient optical confinement effect can be obtained even if the thickness of the first cladding layer 25 is about 0.3 μm or less. Can do. Therefore, the processing difficulty can be further reduced. If the processing is possible even if the processing difficulty level is increased, the thickness of the first cladding layer 25 is set to be thicker than 0.54 μm, for example, 0.75 μm to 1.0 μm. As can be seen from the comparison, the value of the coupling coefficient κ can be increased as a whole, and the proportion of the light leaking into the
上述したように、本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100(図1参照)では、第1クラッド層5を含む第1半導体層に2次元フォトニック結晶構造が形成される。これにより、第1クラッド層5の平均屈折率を活性層3に比べて大幅に低くすることができる。そのため、第1クラッド層5は、通常の半導体レーザに比べて屈折率が高い組成の材料を用いることができる。さらに第1クラッド層5の厚さが、通常の半導体レーザに比べて薄くても十分な光閉じ込め効果を得ることができる。例えば、980nm帯のレーザにおいて、AlxGa(1−x)Asを第1クラッド層5とした場合に、Al組成は、40%〜60%とするのが一般的である。また、第1クラッド層5の厚さは、1.5〜2.0μm程度が一般的だが、本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100においては、第1クラッド層5のAl組成は、0%〜20%、厚さは0.5〜1.0μmとすれば、十分な光閉じ込め効果を得ることができる。
As described above, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100 (see FIG. 1) according to the present embodiment, a two-dimensional photonic crystal structure is formed in the first semiconductor layer including the
したがって、2次元フォトニック結晶構造のアスペクト比、深さを低くすることができるため、加工難度が低下する。具体的には、凹部10をエッチングにより容易に形成することができる。また、Al組成が低いため、特にAlを含む材料で問題になる、Alの酸化による素子劣化の問題が低減される。また、Al組成が低いため、第1クラッド層5の電気抵抗、熱抵抗が低くなり、素子特性が向上する。また、第1クラッド層5にGaN系を用いた場合に、Al組成が下がることによって、上記に加えて結晶性の悪化が避けられる。また、第1クラッド層5にAlGaNを用いた場合に、Al組成を下げてAl組成がゼロのGaNを第1ククラッド層として用いることができる。それにより、AlGaN系材料で一般的な課題であるp型化が困難であるという問題も避けることができる。
Therefore, since the aspect ratio and depth of the two-dimensional photonic crystal structure can be reduced, the processing difficulty is lowered. Specifically, the
次に、本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について図面を用いて説明する。図12は、本発明の実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す断面工程図であって、図12(A)〜図12(E)は、各工程図である。ここでは、具体的には、GaAs基板上で活性層としてInGaAsを用いた980nm帯の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。なお、他の波長帯の材料系、例えばInP基板上のInGaAsP系材料、GaN基板上のInGaNや、AlGaN系でも同様に製造することができる。 Next, a manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is a cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the embodiment of the present invention, and FIGS. 12A to 12E are process diagrams. . Specifically, a manufacturing method of a 980 nm band two-dimensional photonic crystal surface emitting laser using InGaAs as an active layer on a GaAs substrate will be described. It should be noted that other wavelength band material systems such as InGaAsP-based materials on InP substrates, InGaN on GaN substrates, and AlGaN systems can be manufactured in the same manner.
図12(A)に示すように、まずn型GaAsで形成される基板1上に有機金属気相成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法や分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法などにより、半導体レーザ構造が順次に成長される。より具体的には、基板1上にn型Al0.4Ga0.6Asにより形成される第2クラッド層2(厚さ2.0μm)、無添加のInGaAs/GaAs量子井戸活性層3、p型Al0.6Ga0.4Asにより形成されるキャリアストップ層4(厚さ40nm)、p型GaAsにより形成される第1クラッド層5(厚さ0.5μm)、p+型GaAsにより形成されるコンタクト層6(厚さ20nm)が順次に積層形成される。ここで、活性層3は、3周期のInGaAs井戸層(厚さ8nm)、GaAs障壁層(厚さ20nm)および分離閉じ込め層(SCH層)(厚さ20nm)で構成されている歪み量子井戸構造であり、量子井戸発光波長が980nmになるように設計されている。なお、本実施の形態においては、上述の結晶成長工程は、一回でよいので、容易に2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。As shown in FIG. 12A, first, an organic metal vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like is formed on a
次に、図12(B)に示すように、エッチングマスク層11としてSiO2(SiNや金属(Ni、Cr、Ti等)でもよい)がプラズマCVDやスパッタや蒸着等でコンタクト層6上に成膜され、続いて、その上にレジスト層12(電子線レジストやインプリント材料等)がスピンコート等の方法で成膜される。Next, as shown in FIG. 12B, SiO 2 (which may be SiN or metal (Ni, Cr, Ti, etc.)) is formed on the
その後、図12(C)に示すように、電子線描画法やナノインプリント法を用いることによって、2次元フォトニック結晶構造パターンがレジスト層12に形成され、レジスト層12に形成されたパターンがRIE(reactive ion etching:反応性イオンエッチング)やICP(Inductively
Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)などのドライエッチングによってエッチングマスク層11に転写される。パターンは、より具体的には例えば円柱状の凹部13である。なお、波長980nmの光を面発光させる場合は、2次元フォトニック結晶構造パターンの周期は、290nm程度であり、パターンである凹部13の直径は、50〜200nm程度である。なお、図13は、パターンが形成された状態のレジスト層の平面図である。図13に示すように、円柱状の凹部13が20μm角以上の範囲に規則性を有して配列されている。なお、凹部13の配列領域は、正方形状、長方形状、円形状などであってよい。Thereafter, as shown in FIG. 12C, a two-dimensional photonic crystal structure pattern is formed on the resist
It is transferred to the
また、本実施の形態において、2次元フォトニック結晶構造は、真円形状の格子点を正方格子配列させた構造としているが、格子点形状は、これに限定されるものではなく、例えば、三角形や楕円形やV字型などの公知の形状が用いられてよい。さらに、配列は、これに限定されるものではなく、例えば、三角格子配列や大きさの異なる格子点の複合型やフォトニック準結晶などの公知の構造が用いられてよい。このような格子点形状や配列は、例えば、特開2003−23193号公報、特開2007−273730号公報、特開2006−59864号公報、特開2004−296538号公報等に開示されている。 In the present embodiment, the two-dimensional photonic crystal structure has a structure in which square lattice points are arranged in a square lattice. However, the lattice point shape is not limited to this, for example, a triangular shape. Alternatively, a known shape such as an ellipse or a V shape may be used. Furthermore, the arrangement is not limited to this, and a known structure such as a triangular lattice arrangement, a composite type of lattice points having different sizes, or a photonic quasicrystal may be used. Such lattice point shapes and arrangements are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2003-23193, 2007-273730, 2006-59864, and 2004-296538.
次に、図12(D)に示すように、エッチングマスク層11をマスクとしてコンタクト層6と第1クラッド層5をICP、RIEなどのドライエッチングでエッチングすることによって凹部10が形成される。エッチングガスは、III−V族半導体のドライエッチングに一般的に用いられているメタン/水素系ガス、塩素系ガス、ヨウ素系ガス、臭素系ガスなどが用いられる。エッチングの際に、2次元フォトニック結晶構造の断面がテーパ形状に形成されてもよい。より具体的には、活性層側FFが表面側FFよりも大きくされてよい。この場合のエッチング方法について説明する。まず、第1の方法は、エッチングの最初に、パターン(凹部13)として直径の小さい穴を形成し、エッチングを進めていくことによるマスクの後退を利用することによって、マスクのパターンの直径を徐々に広げることで、凹部10の上下の径を相違させる方法である。また、第2の方法は、エッチングにより形成している凹部10の側壁保護を強くするようなエッチング条件を設定する方法である。つまり、エッチングとともに側壁に保護膜が堆積し穴径が小さくなるようなエッチング条件が用いられる。また、エッチングガスによるエッチングレートがAl組成で大きく変わる性質を利用すると、キャリアストップ層4をエッチングストップ層として利用することもできる。
Next, as shown in FIG. 12D, the
エッチングにより形成された凹部10において、活性層側FFは、0.8以上が好ましく、さらに好ましくは0.9以上である。また、表面側FFは、0.8以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めが両立できるという効果を奏する。なお、表面側FFが小さすぎると、2次元フォトニック結晶構造における凹部の間に存在する半導体の部分が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、第1電極7の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題を防ぐために、表面側FFは、0.4以上とすることが好ましい。
In the
なお、上記エッチングは、活性層3に到達する前に停止させる必要がある。より具体的には、第1クラッド層5のすべてをエッチングせずに途中でエッチングが停止される。これにより、上記エッチングによる活性層3へのダメージを抑制することができ、発光効率の減少を避けることができる。より具体的には、エッチングは、活性層3の手前50nmから活性層3の直前までのいずれかの位置で停止されることが好ましい。エッチングにより形成される凹部10の底面が活性層3に近いほどフォトニック結晶構造の結合係数κは、大きくなるが、近すぎるとプラズマによる活性層3へのダメージが生じる可能性がある。
The etching needs to be stopped before reaching the
ここで、上述したフォトニック結晶の断面形状をテーパ形状とするための具体的な条件についてその一例を説明する。上述のように、エッチングマスク層11は、SiO2として、p+型GaAsにより形成されるコンタクト層6およびp型GaAsにより形成される第1クラッド層5がRIE装置を使用することによってドライエッチングされる。エッチングガスは、BCl3とし、ガス流量は、2sccmとし、圧力は、5mTorrとし、RF電力は、100Wとし、エッチング時間は、3分間とした。その結果、周期は、290nmであり、深さは、400nmの凹部10を形成することができた。そして、その表面側FFは、0.65であり、活性層側FFは、0.84であり、断面においてテーパ形状をもつ2次元フォトニック結晶構造を形成することができた。Here, an example of specific conditions for making the cross-sectional shape of the above-described photonic crystal a tapered shape will be described. As described above, the
次に、図12(E)に示すように、エッチングマスク層11をバッファードフッ酸などで除去した後に斜め方向から金属を蒸着することで、コンタクト層6の上面のみに第1電極7が形成される。このようにして第1電極7を形成することで、凹部10の底面に金属が蒸着されることを防ぐことができる。凹部10の底面に金属が蒸着されると、活性層3で発生した光が金属により吸収されることになり、閾値上昇や発光効率の低下につながるので好ましくない。なお、第1電極7は、コンタクト層6の上面すべてに形成されるのではなく、発光面9を形成するために選択的に形成される。さらに、基板1の底面に第2電極8を形成することで、本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100が製造される。
Next, as shown in FIG. 12E, the
本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100の製造方法において、上述のように、融着を用いずに製造するため、融着を行うことで生じる可能性の高い、デバイスへのダメージが生じることが無く、製造時に不良品が生じる可能性がほとんどない。さらに、融着においては、デバイスに反りやうねりが存在すると行うことはできないという問題もあるが、本実施の形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ100の製造方法においては、融着を用いないことから、不良品が生じる可能性が低く、歩留まりが高く、容易に製造を行うことができる。また、使用材料は、特に、限定されることがなく、一般的に用いられる材料を使って、容易に、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100を作製することができる。
In the manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal
次に、別の実施形態について説明する。 Next, another embodiment will be described.
(第2実施形態) (Second Embodiment)
図14は、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。図15は、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの要部拡大図である。図14において、第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、基板1と、基板1の一方の主面上に形成された第2半導体層である第2クラッド層2と、第2クラッド層2上に形成された活性層3と、活性層3上に形成されるキャリアストップ層4と、キャリアストップ層4上に形成された第1クラッド層5と、第1クラッド層5上に形成されたコンタクト層6と、コンタクト層6上に形成された絶縁層14と、絶縁層14を貫通し、コンタクト層6とオーミック接触する円環状(リング状、ドーナツ状)の第1電極7と、基板1における前記一方の主面に対向する他方の主面上の全面に形成された第2電極8とを備えて構成される。なお、絶縁層14上において第1電極7が形成されていない箇所は、光が発光される発光面9である。また、第1クラッド層5およびコンタクト層6には第1電極7側(活性層3と反対側)から加工がなされることで形成された凹部10に埋め込み材料10bが埋め込まれて、第1クラッド層5およびコンタクト層6には、複数の埋め込み材料10bが周期的に配置されるように形成されている。これにより、コンタクト層6、第1クラッド層5およびキャリアストップ層4からなる第1半導体層は、2次元フォトニック結晶構造を有する。なお、第1電極7側から加工がなされるので、埋め込み材料10bは、コンタクト層6において第1電極7と接する側の表面には少なくとも形成されている。このフォトニック結晶構造は、活性層3でレーザ発振する光の波長を選択する。なお、凹部10の径は、深さ方向に沿って徐々に変化している。したがって、埋め込み材料10bの径は、深さ方向に沿って徐々に変化している。より具体的には、積層方向に沿った面による断面形状において、埋め込み材料10bおよび埋め込み材料10b以外の半導体部分はいわゆるテーパ形状を有する。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. FIG. 15 is an enlarged view of a main part of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 14, a two-dimensional photonic crystal
このように第2実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、第1実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザ100に対し、凹部10には埋め込み材料10bが埋め込まれている点で主に異なり、この相違点から絶縁層14をさらに備えている。
As described above, the two-dimensional photonic crystal surface-emitting
第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された2次元フォトニック結晶構造において、2次元の周期的な屈折率分布は、第1クラッド層5を形成する材料の屈折率と異なる屈折率の埋め込み材料10bが格子点として互いに異なる2方向(線形独立な2方向)に所定の周期(格子間隔、格子定数)で配列されることによって形成されている。格子点は、本実施の形態では、例えば、第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された錐状の埋め込み材料10bから構成される。なお、埋め込み材料10bは、コンタクト層6および第1クラッド層5だけでなく、キャリアストップ層4まで到達していてもよいが、活性層3には到達しないことが好ましい。埋め込み材料10bが活性層3に到達、すなわちフォトニック結晶と活性層3とが近接すると、エッチング時に活性層3へのダメージが生じる可能性がある。
In the two-dimensional photonic crystal structure formed in the
なお、埋め込み材料10bとしては、活性層3からの光を透過する必要があることから、透明絶縁材料を用いる。例えば、埋め込み材料10bは、SiO2、SiN、SOG(spinon glass)、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)などのような、レーザの発振波長で透明でかつ電気的絶縁性のある材料で、電極形成の際の電極合金化工程の加熱に耐えうる耐熱性のある材料である。また、コンタクト層6上に形成される絶縁層14は、発光面9を形成し、埋め込み材料10bと同様に活性層3からの光を透過する必要があることから、埋め込み材料10bに用いた材料で形成される。なお、埋め込み材料10bと絶縁層14とは、同一の材料でもよいし、異なる材料でもよい。本実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ200において、コンタクト層6に形成された凹部10に埋め込み材料10bが埋め込まれていることから、コンタクト層6の第1電極7側表面は、平坦化されている。このため、第1電極7の形成が容易である。また、コンタクト層6および第1クラッド層5には埋め込み材料10bが埋め込まれていることから、これらが露呈されることはない。つまり、コンタクト層6および第1クラッド層5は、空気にさらされることがないので、酸化による素子劣化を防ぐことができる。Note that a transparent insulating material is used as the embedding
ここで、第2実施形態では、図15に示すように、上述の表面側FFは、コンタクト層6の上面における半導体および埋め込み材料10bにおいて、半導体の占める面積の割合とされ、活性層側FFは、第1クラッド層5内において、埋め込み材料10の底面を含む平面による断面を仮想した場合に、この断面における半導体および埋め込み材料10bにおいて、半導体の占める面積の割合とされる。第2実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、第1実施形態で説明した結合係数κの解析と同様の解析が成り立ち、第1実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザ100と同様な作用効果を奏する。なお、凹部10の深さは、埋め込み材料10bの深さでもある。すなわち、上述のように、埋め込み材料10bの断面は、テーパ形状であるため、表面側FFと活性層側FFは異なる値となる。そして、このように、埋め込み材料10bの断面形状がテーパ状であることから、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値が高く、かつ、光閉じ込め効果が高くすることが容易である。そして、埋め込み材料10bを埋め込む凹部10の形成が容易となる。例えば、凹部10は、エッチングにより形成されるが、その形成難度を低下させることができる。また、活性層側FFは、表面側FFよりも大きいことが好ましい。すなわち、凹部10および埋め込み材料10bは、活性層3に近づくほど細くなるテーパ形状を有することが好ましい。活性層3に近づくほど細くなるテーパ形状を有する凹部10は、活性層3に近づくほど太くなるテーパ形状である凹部10に比べて、容易に作製することができるため、容易に凹部10を作製できる。また、表面側FFは、0.8以下であって、活性層側FFは、0.8以上であることが好ましい。これにより、2次元フォトニック結晶における高い結合係数κおよび第1クラッド層5による高い光閉じ込め効果を得ることができる。そして、2次元フォトニック結晶の製造が容易である。
Here, in the second embodiment, as shown in FIG. 15, the surface side FF described above is a ratio of the area occupied by the semiconductor in the semiconductor and the embedded
また、第1クラッド層5の厚さは、第1クラッド層5の屈折率にもよるが0.3μm〜1.0μm程度が好ましい。さらに好ましくは、0.5μm前後とすればよい。これにより、アスペクト比が小さくなり凹部10の形成が容易であり、光閉じ込め効果も十分得ることができる。なお、第1クラッド層5が薄すぎると光閉じ込めが不十分になり、第1電極7による光の吸収が問題になる、一方、第1クラッド層5が厚すぎると、アスペクト比が高くなり凹部10の形成が困難となる。
The thickness of the
上述の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、第1電極7および第2電極8間に電圧が印加されることで活性層3が発光する。活性層3から漏れた光がコンタクト層6および第1クラッド層5に形成された2次元フォトニック結晶構造に入射し、その格子間隔に波長が一致する光は、2次元フォトニック結晶により共振して増幅され、発光面9からコヒーレントな光が発光される。
In the two-dimensional photonic crystal
次に、本第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について図面を用いて説明する。図16は、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第1の断面工程図であって、図16(A)〜図16(D)は、各工程図である。図17は、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第2の断面工程図であって、図17(A)〜図17(D)は、各工程図である。なお、図17は、図16に示した工程後の工程図である。ここでは、具体的には、GaAs基板上で活性層としてInGaAsを用いた980nm帯の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。なお、他の波長帯の材料系、例えば、InP基板上のInGaAsP系材料や、GaN基板上のInGaNや、AlGaN系でも以下の説明と同様に製造することができる。 Next, a manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 16 is a first cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 16 (A) to FIG. It is process drawing. FIG. 17 is a second cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 17 (A) to FIG. It is process drawing. FIG. 17 is a process diagram after the process shown in FIG. Specifically, a manufacturing method of a 980 nm band two-dimensional photonic crystal surface emitting laser using InGaAs as an active layer on a GaAs substrate will be described. It should be noted that other wavelength band material systems such as an InGaAsP material on an InP substrate, InGaN on a GaN substrate, or AlGaN can be manufactured in the same manner as described below.
図16(A)に示すように、まずn型GaAsで形成される基板1上に有機金属気相成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法や分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法などにより、半導体レーザ構造が順次に成長される。より具体的には、基板1上にn型Al0.4Ga0.6Asにより形成される第2クラッド層2(厚さ2.0μm)、無添加のInGaAs/GaAs量子井戸活性層3、p型Al0.6Ga0.4Asにより形成されるキャリアストップ層4(厚さ40nm)、p型GaAsにより形成される第1クラッド層5(厚さ0.5μm)、p+型GaAsにより形成されるコンタクト層6(厚さ20nm)が順次に積層形成される。ここで、活性層3は、3周期のInGaAs井戸層(厚さ8nm)、GaAs障壁層(厚さ20nm)および分離閉じ込め層(SCH層)(厚さ20nm)で構成されている歪み量子井戸構造であり、量子井戸発光波長が980nmになるように設計されている。なお、本実施の形態においては、上述の結晶成長工程は、一回でよいので、容易に2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造できる。As shown in FIG. 16A, first, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like is formed on a
次に、図16(B)に示すように、エッチングマスク層11としてSiO2(SiNや金属(Ni、Cr、Ti等)でもよい)がプラズマCVDやスパッタや蒸着等によってコンタクト層6上に成膜され、続いて、その上にレジスト層12(電子線レジストやインプリント材料等)がスピンコート等の方法で成膜される。Next, as shown in FIG. 16B, SiO 2 (which may be SiN or metal (Ni, Cr, Ti, etc.)) is formed on the
その後、図16(C)に示すように、電子線描画法やナノインプリント法を用いて、2次元フォトニック結晶構造パターンをレジスト層12に形成し、レジスト層12に形成したパターンがRIE(reactive ion etching:反応性イオンエッチング)やICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)などのドライエッチングによってエッチングマスク層11に転写される。パターンは、具体的には、円柱状の凹部13である。なお、波長980nmの光を面発光させる場合は2次元フォトニック結晶構造パターンの周期としては、290nm程度とし、パターンである凹部13の直径は、50〜200nm程度とすればよい。上述の図13と同様に、円柱状の凹部13が例えば20μm角以上の範囲に規則性を有して配列されている。なお、凹部13の配列領域は、正方形状、長方形状、円形状などであってよい。
Thereafter, as shown in FIG. 16C, a two-dimensional photonic crystal structure pattern is formed on the resist
また、本実施の形態においては、2次元フォトニック結晶構造は、真円形状の格子点を正方格子配列させた構造としているが、格子点形状は、これに限定されるものではなく、三角形や楕円形やV字型などの公知の形状が用いられてよい。さらに、配列は、これに限定されるものではなく、三角格子配列や大きさの異なる格子点の複合型やフォトニック準結晶などの公知の構造が用いられてよい。 In the present embodiment, the two-dimensional photonic crystal structure has a structure in which square lattice points are arranged in a square lattice. However, the lattice point shape is not limited to this, and a triangular shape, A known shape such as an ellipse or a V shape may be used. Furthermore, the arrangement is not limited to this, and a known structure such as a triangular lattice arrangement, a composite type of lattice points having different sizes, or a photonic quasicrystal may be used.
次に、図16(D)に示すように、エッチングマスク層11をマスクとしてコンタクト層6と第1クラッド層5をICP、RIEなどのドライエッチングでエッチングすることによって凹部10が形成される。エッチングガスとしては、III−V族半導体のドライエッチングに一般的に用いられているメタン/水素系ガス、塩素系ガス、ヨウ素系ガス、臭素系ガスなどが用いられる。エッチングの際に、2次元フォトニック結晶構造の断面をテーパ形状にしてもよい。より具体的には、活性層側FFを表面側FFよりも大きくされてよい。この場合のエッチング方法について説明する。まず、第1の方法は、エッチングの最初に、パターン(凹部13)として直径の小さい穴を形成し、エッチングを進めていくことによるマスクの後退を利用することによって、マスクパターンの直径を徐々に広げることで、凹部10の上下の径を相違させる方法がある。また、第2の方法は、エッチングにより形成している凹部10の側壁保護を強くするようなエッチング条件を設定する方法がある。つまり、エッチングとともに側壁に保護膜が堆積し穴径が小さくなるようなエッチング条件が用いられる。また、エッチングガスによるエッチングレートがAl組成で大きく変わる性質を利用すると、キャリアストップ層4をエッチングストップ層として利用することもできる。
Next, as shown in FIG. 16D, the
エッチングにより形成された凹部10において、活性層側FFは、0.8以上が好ましく、さらに好ましくは0.9以上である。また、表面側FFは、0.8以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めが両立できるという効果を奏する。なお、表面側FFが小さすぎると、2次元フォトニック結晶構造における凹部10の間に存在する半導体の部分が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、第1電極7の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題を防ぐために、表面側FFは、0.4以上とすることが好ましい。
In the
なお、上記エッチングは、活性層3に到達する前に停止させる必要がある。より具体的には、第1クラッド層5のすべてをエッチングせずに途中でエッチングが停止される。これにより、上記エッチングによる活性層3へのダメージを抑制することができ、発光効率の減少を避けることができる。より具体的には、エッチングは、活性層3の手前50nmから活性層3の直前までのいずれかの位置で停止されることが好ましい。エッチングにより形成される凹部10の底面が活性層3に近いほどフォトニック結晶構造の結合係数κは、大きくなるが、近すぎるとプラズマによる活性層3へのダメージが生じる可能性がある。
The etching needs to be stopped before reaching the
ここで、上述したフォトニック結晶の断面形状をテーパ形状とするための具体的な条件についてその一例を説明する。上述のように、エッチングマスク層11は、SiO2として、p+型GaAsにより形成されるコンタクト層6およびp型GaAsにより形成される第1クラッド層5がRIE装置を使用することによってドライエッチングされる。エッチングガスは、BCl3とし、ガス流量は、2sccmとし、圧力は、5mTorrとし、RF電力は、100Wとし、エッチング時間は、3分間とした。その結果、周期は、290nmであり、深さは、400nmの凹部10aを形成することができた。そして、その表面側FFは、0.65であり、活性層側FFは、0.84であり、断面においてテーパ形状をもつ2次元フォトニック結晶構造を形成することができた。Here, an example of specific conditions for making the cross-sectional shape of the above-described photonic crystal a tapered shape will be described. As described above, the
次に、図17(A)に示すように、エッチングマスク層11をバッファードフッ酸などで除去した後に、凹部10に埋め込み材料10bが埋め込まれる。例えば、上述のように、埋め込み材料10bは、SiO2、SiN、SOG(spin on glass)、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)などのような、レーザの発振波長で透明でかつ電気的絶縁性のある材料で、電極形成の際の電極合金化工程の加熱に耐えうる耐熱性のある材料が用いられる。また埋込方法は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)などの化学気相体積(CVD)法、スパッタ法、スピンコート法などが用いられる。このように、凹部10に埋め込み材料10bを埋め込むことにより、コンタクト層6の上面が平坦になり、コンタクト層6の上面への電極形成が容易になる。また、コンタクト層6および第1クラッド層5の凹部10が露呈されないため、2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、酸化による素子劣化を受けにくい。Next, as shown in FIG. 17A, after the
次に、図17(B)に示すように、エッチング(ウェットエッチングまたはドライエッチング)を用いることによって、コンタクト層6上に成膜された埋め込み材料10bが除去され、コンタクト層6が露出される。なお、埋め込み材料10bは、エッチングするが、コンタクト層6は、エッチングしないように方法および条件を選択することで、コンタクト層6がエッチングされてしまうことを防ぐことができる。
Next, as shown in FIG. 17B, by using etching (wet etching or dry etching), the embedded
次に、図17(C)に示すように、デバイス全面に絶縁層14が形成される。なお、絶縁層14の材料および成膜方法は、図17(A)で示した埋め込み材料10bを成膜する場合と同様である。すなわち、SiO2、SiN、SOG(spin on glass)、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)などが、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、LPCVD(Low
Pressure Chemical Vapor Deposition)などの化学気相体積(CVD)法、スパッタ法、スピンコート法などにより成膜される。絶縁層14の厚さによっては、面発光でレーザ光を取り出すときの反射防止層として絶縁層14が機能するため、この際に、絶縁層14の厚さが調整される。次に、図17(D)に示すように、絶縁層14において第1電極7を形成する部分を開口14aとするために、フォトリソグラフィーとドライエッチングが行われる。この際、埋め込み材料10bと絶縁層14の材質を意図的に異なる材料とし、エッチング条件を適切に選択することによって、絶縁層14を選択的にエッチング除去することも可能である。これによって、絶縁層14をエッチングするときに、エッチングを余分に行ったとしても、埋め込み材料10bがエッチングされてしまうことを防ぐことができる。Next, as shown in FIG. 17C, an insulating
The film is formed by a chemical vapor volume (CVD) method such as Pressure Chemical Vapor Deposition), a sputtering method, or a spin coating method. Depending on the thickness of the insulating
次に、図17(E)に示すように、フォトリソグラフィーとリフトオフによって第1電極7が形成される。第1電極7は、p+型GaAsであるコンタクト層6にオーミック接触する材料であればよい。なお、2次元フォトニック結晶構造形成領域の一部(発光面9)は、第1電極7により覆われないこととする。これにより、2次元フォトニック結晶構造により回折され垂直方向に放射される光を発光面9から外部に取り出すことができる。図18は、本発明の第2実施形態における2次元フォトニック結晶面発光レーザの電極の構成を示す平面図であって、図18(A)〜図18(D)は、それぞれ異なる形状の電極の構成を示す平面図である。図18(A)〜図18(D)に示すように、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶構造形成領域27に、電極28が配置される。電極28の形状は、例えば、円形または矩形等である。そして、電極28は、その電極28の中央部分には、電極が形成されない形状(図18(A)および図18(B)参照)、例えばドーナッツ形状等であってもよいし、電極28は、フォトニック結晶構造形成領域27に比べて小さい形状(図18(C)および図18(D)参照)としてもよい。これにより、フォトニック結晶構造形成領域27において、電極28が形成されない箇所が存在し、その箇所から光を取り出すことができる。
Next, as shown in FIG. 17E, the
さらに、基板1の底面に第2電極8を形成することによって、第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ200が製造される。
Furthermore, by forming the
また、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの他の製造方法について説明する。図19は、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの他の製造工程としての第1製造工程を説明するための断面工程図であって、図19(A)および図19(B)は、各工程図である。この製造方法は、図17(A)に示された工程の後に、図19(A)に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングによって埋め込み材料10bの一部に開口10cを形成することでコンタクト層6が露出される。そして、図19(B)に示すように、開口10cに第1電極7が形成される。そして、基板1の底面に第2電極を形成することで2次元フォトニック結晶面発光レーザ200が製造される。これにより、図17(C)に示すような、絶縁層14を形成する必要がないことから、製造工程が短縮化されるという効果を奏する。
Further, another manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 19 is a cross-sectional process diagram for explaining a first manufacturing process as another manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. FIG. 19B is a process diagram. In this manufacturing method, after the step shown in FIG. 17A, as shown in FIG. 19A, the
また、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザのさらに他の製造方法について説明する。図20は、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの他の製造工程としての第2製造工程を説明するための断面工程図である。この製造方法は、図17(A)の工程において、図20に示すように凹部10に埋め込み材料10bを埋め込む際に、凹部10すべてに埋め込むのではなく、凹部10に空気の部分(空所(空孔)10d)を残留させるように埋め込み材料10bが埋め込まれる。より具体的には、埋め込み方法がCVD法やスパッタを用いる場合は、成膜条件を調整することでこのような埋め込み方が可能である。また、埋め込み方法が、スピンコートの場合は、例えば、埋め込み材料10として粘度が高い材料を使うことでこのような埋め込み方が可能である。また、まず、別基板にスピンコートにより埋め込み材料10を形成しておき、凹部10が形成されたデバイスにその埋め込み材料10bを押し付けることによって、凹部10の途中まで埋め込み材料10bが埋め込まれてもよい。なお、凹部10における空孔10dの深さは、例えば、0.1μm以上であって、凹部10のすべての深さから0.1μm減じた深さとすればよい。つまり、埋め込み材料10bが埋め込まれる量は、凹部10に0.1μmだけ埋め込まれた状態と、凹部10の底部まで0.1μmしかない状態まで埋め込まれた状態との間とされる。埋め込み材料10bを埋め込み後は、図17(B)以降に示された工程が行われる。これにより、埋め込み材料10bの一部に空気を含む、2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。空気の屈折率は、一般的に低いことから、この2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、第1クラッド層5およびコンタクト層6に形成された2次元フォトニック結晶構造の屈折率差を大きくすることができる。これにより、2次元フォトニック結晶構造の回折効率が向上する。したがって、2次元フォトニック結晶面発光レーザの低閾値化および高効率化につながる。なお、凹部10に不活性ガス等を注入した状態で埋め込み材料10bを埋め込むことによって、凹部10には空気の代わりに不活性ガス等の気体を残留させてもよい。また、空孔10dが真空状態とされてもよい。これにより、凹部10が酸化により劣化することを防ぐことができる。
Furthermore, still another method for manufacturing the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 20 is a cross-sectional process diagram for explaining a second manufacturing process as another manufacturing process of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. In this manufacturing method, in the step of FIG. 17A, when the embedding
第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ200の製造方法において、上述のように、融着を用いずに製造するため、融着を行うことで生じる可能性の高い、デバイスへのダメージが生じることが無く、製造時に不良品が生じる可能性がほとんどない。さらに、融着においては、デバイスに反りやうねりが存在すると行うことはできないという問題もあるが、本実施の形態に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザ200の製造方法においては、融着を用いないことから、不良品が生じる可能性が低く、歩留まりが高く、容易に製造を行うことができる。また、使用材料は、特に、限定されることがなく、一般的に用いられる材料を使って、容易に、2次元フォトニック結晶面発光レーザ200を作製することができる。また、凹部10に埋め込み材料10bを埋め込んで、第1半導体層(コンタクト層)の上面を平坦化するので、第1半導体層(コンタクト層)上への電極形成を容易に行うことができる。
In the manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal
なお、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザ200は、図21に示すように、光を基板1側から取り出す構成とされてもよい。図21は、本発明の第2実施形態にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの他の構成を示す断面図である。より具体的には、基板1が取り出す光の波長帯に対して透明な材料とされる。そして、例えば、図17(B)に示した工程の後に、第2電極8がコンタクト層6上の全面に形成され、基板1の底面に、取り出す光の波長帯に対して透明な材料である絶縁層14が形成され、その絶縁層14を貫通して基板1と接触する第1電極7が形成される。これにより、基板1側に発光面9が形成された2次元フォトニック結晶面発光レーザ200Aが実現される。なお、図21では、2次元フォトニック結晶面発光レーザ200Aは、第1電極7を発光面9の全面に形成せずに、開口を有する構成とされ、この開口からレーザ光が射出される構成とされた。しかしながら、このような構成に限定されるものではなく、これ以外の構成であってもよく、例えば、第1電極7の一部または全部が透明電極とされ、開口を形成せずに、発光面9の全面に第1電極7が形成された構成とされてもよい。これにより、透明電極を介して、レーザ光が射出される。
The two-dimensional photonic crystal
本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。 The present specification discloses various aspects of the technology as described above, and the main technologies are summarized below.
一態様にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザは、第1および第2半導体層と、前記第1半導体層と、前記第2半導体層とに挟まれ、キャリア注入によって、光を発生する活性層とを備え、前記第1半導体層は、前記第1半導体層の前記活性層側とは反対側の主面から複数の凹部が形成されることで少なくとも前記第1半導体層の一部が2次元フォトニック結晶構造を有し、前記凹部の径は、深さ方向に沿って変化しているものである。好ましくは、前記凹部の径は、深さ方向に沿って徐々に変化しているものであり、また、好ましくは、第1半導体層におけるフォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、凹部および凹部以外の半導体は、いわゆるテーパ形状を有する。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to one aspect includes an active layer sandwiched between first and second semiconductor layers, the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer and generating light by carrier injection. The first semiconductor layer has a plurality of recesses formed from a main surface of the first semiconductor layer opposite to the active layer side, so that at least a part of the first semiconductor layer is two-dimensional. It has a photonic crystal structure, and the diameter of the recess changes along the depth direction. Preferably, the diameter of the recess gradually changes along the depth direction, and preferably, in a cross-sectional shape by a surface along the photonic crystal structure lamination direction in the first semiconductor layer, The recess and the semiconductor other than the recess have a so-called tapered shape.
この構成によれば、2次元フォトニック結晶面発光レーザが融着を用いずに製造することができることから、容易に製造でき、製造時に不良品が生じる可能性も低い。したがって、この構成によれば、低コストで作製でき、分留まりが高い2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。また、凹部の径を深さ方向に沿って徐々に変化させた構成であることから、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、光閉じ込め効果の向上および凹部形成を容易に行うことができる。これにより、低閾値化、高効率化、短波長化等を容易に行うことができる。 According to this configuration, since the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured without using fusion, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be easily manufactured, and the possibility that a defective product is generated at the time of manufacturing is low. Therefore, according to this configuration, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can be manufactured at low cost and has a high yield can be realized. In addition, since the diameter of the concave portion is gradually changed along the depth direction, the coupling coefficient κ of the two-dimensional photonic crystal is increased, the light confinement effect is improved, and the concave portion is easily formed. Can be done. Thereby, it is possible to easily reduce the threshold, increase the efficiency, shorten the wavelength, and the like.
また、他の一態様では、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記第1半導体層は、第1クラッド層を有し、前記第2半導体層は、第2クラッド層を有し、前記第1クラッド層の屈折率は、前記第2クラッド層の屈折率よりも高いことである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, preferably, the first semiconductor layer includes a first cladding layer, and the second semiconductor layer includes a second cladding layer. And the refractive index of the first cladding layer is higher than the refractive index of the second cladding layer.
この構成によれば、第1クラッド層の屈折率を第2クラッド層のそれよりも高くすることで、2次元フォトニック結晶構造が形成されたとしても、第1クラッド層の平均屈折率が低下しすぎることがない。これにより、フォトニック結晶層に分布する光の割合の減少を防ぐことから結合係数の低下を防ぐことができる。 According to this configuration, even if a two-dimensional photonic crystal structure is formed by making the refractive index of the first cladding layer higher than that of the second cladding layer, the average refractive index of the first cladding layer is lowered. Don't do too much. Thereby, since the reduction of the ratio of the light distributed in the photonic crystal layer is prevented, it is possible to prevent the coupling coefficient from being lowered.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記第1クラッド層の厚さは、0.3μm〜1.0μmであることである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the thickness of the first cladding layer is preferably 0.3 μm to 1.0 μm.
この構成によれば、第1クラッド層の厚さが厚すぎないので、アスペクト比が小さいフォトニック結晶構造を有することとなる。そのため、第1クラッド層に形成する凹部の加工が容易である。より具体的には、エッチング加工の難度が低い。 According to this configuration, since the first cladding layer is not too thick, it has a photonic crystal structure with a small aspect ratio. Therefore, it is easy to process the recesses formed in the first cladding layer. More specifically, the difficulty of etching is low.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記凹部は、前記活性層には到達しないことである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, preferably, the concave portion does not reach the active layer.
凹部が活性層に到達、すなわちフォトニック結晶と活性層とが近接すると、プラズマによる活性層へのダメージが生じる可能性があるが、この構成によれば、凹部が活性層に到達しないことから、そのよう問題が生じることはない。 When the recess reaches the active layer, that is, when the photonic crystal and the active layer are close to each other, damage to the active layer due to plasma may occur, but according to this configuration, the recess does not reach the active layer. There is no such problem.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記第1半導体層の発光面側主面における半導体が占める面積の割合を表面側FFとし、前記第1半導体層において、前記複数の凹部の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側FFとし、前記表面側FFと前記活性層側FFとは異なる値であることである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the ratio of the area occupied by the semiconductor in the light emitting surface side main surface of the first semiconductor layer is preferably a surface side FF, and the first When a plane including the bottom surfaces of the plurality of recesses is hypothesized in one semiconductor layer, the ratio of the area occupied by the semiconductor in the hypothetical plane is defined as an active layer side FF, and the surface side FF and the active layer side FF are It is a different value.
この構成によれば、第1半導体層におけるフォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、凹部および凹部以外の半導体は、いわゆるテーパ形状を有することとなる。したがって、このような構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、第1クラッド層による光閉じ込め効果を向上させることが可能である。また、凹部の加工が容易である。より具体的には、凹部のエッチング加工の難度が低い。 According to this configuration, in the cross-sectional shape of the surface along the photonic crystal structure lamination direction in the first semiconductor layer, the recess and the semiconductor other than the recess have a so-called tapered shape. Therefore, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having such a configuration can increase the coupling coefficient κ of the two-dimensional photonic crystal and improve the light confinement effect by the first cladding layer. . Further, the recess can be easily processed. More specifically, the difficulty of etching the recesses is low.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記活性層側FFは、前記表面側FFよりも大きいことである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, preferably, the active layer side FF is larger than the surface side FF.
この構成によれば、第1半導体層におけるフォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、活性層側に近づくほど凹部が細くなるテーパ形状を有することとなる。このため、このような構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、活性層側に近づくほど凹部が太くなるテーパ形状に比べて、容易に作製することができる。 According to this structure, in the cross-sectional shape by the surface along the photonic crystal structure lamination direction in a 1st semiconductor layer, it has a taper shape where a recessed part becomes thin, so that it approaches the active layer side. For this reason, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having such a configuration can be easily manufactured as compared with the tapered shape in which the concave portion becomes thicker as it approaches the active layer side.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記表面側FFは、0.8以下であって、前記活性層側FFは、0.8以上であることである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, preferably, the surface-side FF is 0.8 or less, and the active layer-side FF is 0.8 or more. That is.
このような構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、2次元フォトニック結晶における高い結合係数κ、かつ、第1クラッド層による光閉じ込め効果を向上させることが可能である。また、凹部の加工が容易である。より具体的には、凹部のエッチング加工の難度が低い。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having such a configuration can improve the light confinement effect due to the high coupling coefficient κ and the first cladding layer in the two-dimensional photonic crystal. Further, the recess can be easily processed. More specifically, the difficulty of etching the recesses is low.
また、他の一態様にかかる2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、第2半導体層上に活性層を積層し、前記活性層上に、第1半導体層を積層した後に、前記第1半導体層において、前記活性層とは反対側の表面から、前記活性層に近づくほど細くなっていく凹部を形成することで、前記第1半導体層の少なくとも一部に2次元フォトニック結晶構造を形成することである。 According to another aspect of the method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, an active layer is stacked on a second semiconductor layer, the first semiconductor layer is stacked on the active layer, and then the first semiconductor layer is stacked. In one semiconductor layer, a two-dimensional photonic crystal structure is formed on at least a part of the first semiconductor layer by forming a concave portion that becomes thinner from the surface opposite to the active layer toward the active layer. Is to form.
この構成によれば、融着や特殊な埋め込み再成長法などを用いずに、2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができるので、このような構成の製造方法は、材料の選択性が広く、歩留まりがよく、低コスト化が可能である。 According to this configuration, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured without using fusion, a special buried regrowth method, and the like. However, the yield is high and the cost can be reduced.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記第1半導体層の前記複数の凹部には、埋め込み材料が埋め込まれていることである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, it is preferable that an embedding material is embedded in the plurality of recesses of the first semiconductor layer.
このような構成によっても、2次元フォトニック結晶面発光レーザが融着を用いずに製造することができることから、容易に製造でき、製造時に不良品が生じる可能性も低い。したがって、この構成によれば、低コストで作製でき、分留まりが高い2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。また、凹部(埋め込み材料)の径を深さ方向に沿って徐々に変化させた構成であることから、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、光閉じ込め効果の向上および凹部形成を容易に行うことができる。これにより、低閾値化、高効率化、短波長化等を容易に行うことができる。また、凹部に埋め込み材料が埋め込まれていることから、第1半導体層の上面が平坦化されているため、第1半導体層上に容易に電極を形成することができる。また、凹部に埋め込み材料が埋め込まれていることから、第1半導体層における凹部が大気に露呈されることはない。これにより、第1半導体層は、酸化されにくく、2次元フォトニック結晶面発光レーザの劣化を防ぐことができる。 Even with such a configuration, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured without using fusion, so that it can be easily manufactured, and the possibility that a defective product is generated at the time of manufacturing is low. Therefore, according to this configuration, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can be manufactured at low cost and has a high yield can be realized. In addition, since the diameter of the recess (embedding material) is gradually changed along the depth direction, the coupling coefficient κ of the two-dimensional photonic crystal is increased, and the optical confinement effect is improved. The concave portion can be easily formed. Thereby, it is possible to easily reduce the threshold, increase the efficiency, shorten the wavelength, and the like. In addition, since the embedding material is embedded in the recess, the upper surface of the first semiconductor layer is flattened, so that the electrode can be easily formed on the first semiconductor layer. Moreover, since the embedding material is embedded in the recess, the recess in the first semiconductor layer is not exposed to the atmosphere. Thereby, the first semiconductor layer is difficult to be oxidized, and deterioration of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be prevented.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記第1半導体層の前記複数の凹部には、空所(空孔)が形成されるようにその深さ方向の途中まで埋め込み材料が埋め込まれていることである。なお、空所内には、空気や、空気以外の気体が封入されてよい。また、空孔内は、真空状態であってもよい。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, preferably, the plurality of recesses of the first semiconductor layer are formed with vacancies (holes). That is, the embedding material is embedded halfway in the depth direction. Note that air or a gas other than air may be enclosed in the void. Further, the inside of the holes may be in a vacuum state.
この構成によれば、埋め込み材料の一部に空気等の気体を含むこととなる。空気等の気体は、屈折率が一般的に低いことから、埋め込み材料の屈折率よりも空気の屈折率の方が低い。したがって、第1半導体層に形成された2次元フォトニック結晶構造の屈折率差を大きくすることができる。それにより、2次元フォトニック結晶構造の回折効率が向上し、2次元フォトニック結晶面発光レーザは、低閾値化および高効率化が可能である。なお、空孔内は、真空としてもよいが、その場合も屈折率は、略空気と同程度である。 According to this configuration, a part of the embedding material contains a gas such as air. A gas such as air generally has a lower refractive index, so the refractive index of air is lower than the refractive index of the embedding material. Therefore, the refractive index difference of the two-dimensional photonic crystal structure formed in the first semiconductor layer can be increased. As a result, the diffraction efficiency of the two-dimensional photonic crystal structure is improved, and the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can reduce the threshold and increase the efficiency. In addition, although the inside of a void | hole is good also as a vacuum, in that case, the refractive index is substantially the same as air.
また、他の一態様では、これら上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、好ましくは、前記第1半導体層の前記活性層側とは反対側の主面における半導体が占める面積の割合を表面側FFとし、前記第1半導体層において、前記複数の凹部の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側FFとし、前記表面側FFと前記活性層側FFとは異なる値であることである。 In another aspect, in the above-described two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, preferably, the ratio of the area occupied by the semiconductor on the main surface of the first semiconductor layer opposite to the active layer side is the surface. When the plane including the bottom surfaces of the plurality of recesses in the first semiconductor layer is assumed in the first semiconductor layer, the ratio of the area occupied by the semiconductor in the virtual plane is defined as the active layer side FF, and the surface side FF and the The value is different from that of the active layer side FF.
この構成によれば、第1半導体層におけるフォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、凹部、埋め込み材料および凹部以外の半導体は、いわゆるテーパ形状を有することとなる。したがって、このような構成の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、2次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、第1クラッド層による光閉じ込め効果を向上させることが可能である。また、凹部の加工が容易である。より具体的には、凹部のエッチング加工の難度が低い。 According to this configuration, in the cross-sectional shape of the first semiconductor layer along the surface along the photonic crystal structure stacking direction, the recess, the embedded material, and the semiconductor other than the recess have a so-called tapered shape. Therefore, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having such a configuration can increase the coupling coefficient κ of the two-dimensional photonic crystal and improve the light confinement effect by the first cladding layer. . Further, the recess can be easily processed. More specifically, the difficulty of etching the recesses is low.
また、他の一態様では、上述の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法において、好ましくは、前記複数の凹部に、埋め込み材料を埋め込む工程をさらに含むことである。 In another aspect, the above-described method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser preferably further includes a step of embedding an embedding material in the plurality of recesses.
この構成によれば、融着や特殊な埋め込み再成長法などを用いずに、2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができるので、このような構成の製造方法は、材料の選択性が広く、歩留まりがよく、低コスト化が可能である。また、この構成によれば、凹部に埋め込み材料を埋め込んで、第1半導体層の上面を平坦化するので、第1半導体層上への電極形成を容易に行うことができる。 According to this configuration, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured without using fusion, a special buried regrowth method, and the like. However, the yield is high and the cost can be reduced. In addition, according to this configuration, since the embedding material is embedded in the recess and the upper surface of the first semiconductor layer is planarized, it is possible to easily form the electrode on the first semiconductor layer.
この出願は、2009年01月28日に出願された日本国特許出願特願2009−017148および2009年01月28日に出願された日本国特許出願特願2009−017179を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。 This application is based on Japanese Patent Application Japanese Patent Application No. 2009-0117148 filed on Jan. 28, 2009 and Japanese Patent Application No. 2009-0117179 filed on Jan. 28, 2009. The contents thereof are included in the present application.
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。 In order to express the present invention, the present invention has been properly and fully described through the embodiments with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Therefore, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not covered by the claims. To be construed as inclusive.
本発明によれば、2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser and a manufacturing method thereof can be provided.
Claims (11)
前記第1半導体層と、前記第2半導体層とに挟まれ、キャリア注入によって、光を発生する活性層とを備え、
前記第1半導体層は、前記第1半導体層の前記活性層側とは反対側の主面から複数の凹部が形成されることで少なくとも前記第1半導体層の一部が2次元フォトニック結晶構造を有し、前記活性層から発生された光を前記2次元フォトニック結晶構造により共振させることによって、選択された波長の光を面発光する2次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記複数の凹部は、前記選択された波長と一致する前記2次元フォトニック結晶構造の周期で形成されており、前記凹部内の屈折率は、前記第1半導体の屈折率よりも小さく、前記凹部の径は、前記第1半導体層の前記活性層とは反対側の前記主面から、深さ方向に沿って前記活性層に近づくほど細くなっていくこと
を特徴とする2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 First and second semiconductor layers;
An active layer sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and generating light by carrier injection;
The first semiconductor layer has a two-dimensional photonic crystal structure in which at least a part of the first semiconductor layer is formed by forming a plurality of recesses from a main surface of the first semiconductor layer opposite to the active layer side. A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that emits light of a selected wavelength by resonating light generated from the active layer with the two-dimensional photonic crystal structure,
The plurality of recesses are formed with a period of the two-dimensional photonic crystal structure that matches the selected wavelength, and a refractive index in the recesses is smaller than a refractive index of the first semiconductor , and the recesses The two-dimensional photonic crystal surface is characterized in that the diameter of the first semiconductor layer decreases from the main surface of the first semiconductor layer opposite to the active layer as it approaches the active layer along the depth direction. Light emitting laser.
前記第2半導体層は、第2クラッド層を有し、
前記第1クラッド層の屈折率は、前記第2クラッド層の屈折率よりも高いこと
を特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 The first semiconductor layer has a first cladding layer,
The second semiconductor layer has a second cladding layer;
2. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 1, wherein a refractive index of the first cladding layer is higher than a refractive index of the second cladding layer.
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 3. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 1, wherein a thickness of the first cladding layer is 0.3 μm to 1.0 μm.
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to any one of claims 1 to 3, wherein the concave portion does not reach the active layer.
前記第1半導体層において、前記複数の凹部の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側FFとし、
前記活性層側FFは、前記表面側FFよりも大きいこと
を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 The ratio of the area occupied by the semiconductor in the light emitting surface side main surface of the first semiconductor layer is the surface side FF
In the first semiconductor layer, when a plane including the bottom surfaces of the plurality of recesses is assumed, the ratio of the area occupied by the semiconductor in the virtual plane is defined as an active layer side FF,
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the active layer side FF is larger than the surface side FF .
を特徴とする請求項5に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 5 , wherein the surface-side FF is 0.8 or less and the active layer-side FF is 0.8 or more.
第2半導体層上に前記活性層を積層し、
前記活性層上に、第1半導体層を積層した後に、
前記第1半導体層において、前記選択された波長と一致する前記2次元フォトニック結晶構造の周期で、前記活性層とは反対側の表面から、前記活性層に近づくほど細くなっていく複数の凹部を形成することで、前記第1半導体層の少なくとも一部に前記2次元フォトニック結晶構造を形成すること
を特徴とする2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 A method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface-emitting laser that emits light of a selected wavelength by resonating light generated from an active layer with a two-dimensional photonic crystal structure,
Laminating the active layer on the second semiconductor layer;
After laminating the first semiconductor layer on the active layer,
In the first semiconductor layer, a plurality of recesses that become thinner toward the active layer from the surface opposite to the active layer at a period of the two-dimensional photonic crystal structure that matches the selected wavelength. To form the two-dimensional photonic crystal structure in at least a part of the first semiconductor layer. 2. A method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface-emitting laser, comprising:
を特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 1, wherein an embedding material is embedded in the plurality of recesses of the first semiconductor layer.
を特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 2. The two-dimensional photonic according to claim 1, wherein an embedding material is embedded in the plurality of recesses of the first semiconductor layer halfway in a depth direction so as to form voids. Crystal surface emitting laser.
前記第1半導体層において、前記複数の凹部の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側FFとし、
前記活性層側FFは、前記表面側FFよりも大きいこと
を特徴とする請求項8または請求項9に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 The ratio of the area occupied by the semiconductor on the main surface opposite to the active layer side of the first semiconductor layer is defined as a surface side FF,
In the first semiconductor layer, when a plane including the bottom surfaces of the plurality of recesses is assumed, the ratio of the area occupied by the semiconductor in the virtual plane is defined as an active layer side FF,
The active layer side FF is two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 8 or claim 9 and greater than the surface FF.
を特徴とする請求項7に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 The method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 7 , further comprising a step of embedding an embedding material in the plurality of recesses.
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