JP5430217B2 - 面発光レーザアレイ - Google Patents
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Description
特に、近紫外から緑領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に用いられる分布ブラッグ反射鏡の作製が困難なことから、二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが盛んに研究されている(非特許文献1、2参照)。
この構成によれば、該二次元フォトニック結晶から水平方向に漏れてきた光の一部を、前記光反射領域によって内部に反射させることで、光の利用効率の向上が図られる。
ところで、前記光反射領域は、屈折率差を利用した反射鏡であり、反射率を高めることが困難である。
そのため、前記二次元フォトニック結晶から漏れてきた光の大部分は、該光反射領域の外側に漏れ出してしまうこととなる。
しかしながら、この特許文献1では、前記面発光レーザが単一の場合が想定されていることから、上記したように光反射領域の外側に光が漏れ出しても、それによる影響は少ない。
そのため、隣り合う面発光レーザとのクロストークを引き起こすという問題が生じる。
本発明の面発光レーザアレイは、
面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶層と活性層を備えた面発光レーザが複数アレイ状に配列された面発光レーザアレイであって、
前記二次元フォトニック結晶層は、導波路層と前記導波路層内に二次元的かつ周期的に配列された周期構造体とから構成され、
前記二次元フォトニック結晶層は傾斜した側壁面を有し、
前記側壁面と前記二次元フォトニック結晶層の面とのなす角度は、外部から前記側壁面に入射した光が、前記二次元フォトニック結晶層と前記二次元フォトニック結晶層と接する層との界面において全反射条件を満たさない角度であり、
前記入射した光が前記二次元フォトニック結晶層と接する前記層を伝搬し、前記二次元フォトニック結晶層と結合しないことを特徴とする。
図1(a)、図1(b)は、本実施形態である面発光レーザアレイを構成するメサ状に形成された面発光レーザ100の構造を示す図である。まず、メサ状の傾斜した側壁面を有する、二次元フォトニック結晶120を含む導波路層113の製造プロセスについて説明する。
基体110上に、半導体層の結晶成長を抑制する例えば二酸化ケイ素などよりなる選択成長用マスク103を形成し、該基体上に形成された選択成長用マスクに、開口部を形成する。
なお、開口部は種々の形状とすることができ、たとえば、円形、六角形、四角形などの形状を用いることが出来る。
次に、選択成長用マスク103が形成された基体110上に、MOCVD法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、選択成長用マスク103が設けられていない個所から、該選択成長用マスク103上への横方向成長を、{1−101}面が形成されるように制御しつつ、たとえばn型AlGaNからなる薄膜半導体層を結晶成長させる。
これにより、選択成長用マスク103の上に、側壁面が{1−101}面からなる、断面形状が台形状の下部クラッド層111が形成される。
例えば、成長圧力を80Torr、成長温度を1050℃に設定する。
なお、本実施の形態においては、結晶成長にMOCVD法を用いた場合について示した。
しかしながら、結晶成長方法に、たとえばMBE法(molecular beam epitaxy:分子線エピタキシー法)を用いても良い。
次に、下部クラッド層111を覆うように、活性層112と、ガイド層113と、をこの順番で積層する。
その後、電子ビーム露光によって、該ガイド層113上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
続いて、前記レジストをマスクとして該ガイド層113をドライエッチングする。その後、該レジストを除去することで、二次元フォトニック結晶120を含むガイド層113が形成される。
しかしながら、所定の角度に傾斜した側壁面114の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えば、{11−22}面で形成してもよく、あるいは、ドライエッチング法などの他の方法であってもよい。
上記した特許文献1では、二次元フォトニック結晶の周囲、すなわち、側壁面、に該二次元フォトニック結晶の結晶面に対して垂直方向に、光反射領域を設けている。
そして、これによって、該二次元フォトニック結晶から漏れてきた光の一部を内部に反射させ、光の利用効率を向上させている。
このように、特許文献1では、面発光レーザ内部からの光を所定の角度で反射させるように、側壁面の傾斜角度を決定している。
これに対して、本実施形態では、上記したように面発光レーザ外部からの光を所定の角度で屈折させるように、側壁面の傾斜角度を決定している。
ここで、本実施の形態における面発光レーザの外部から、該面発光レーザの内部に伝播してきた光が、該二次元フォトニック結晶に結合しない、該面発光レーザの側壁面の傾斜角度の範囲を確認するため、つぎのような計算を行った。
すなわち、図2(a)に示す面発光レーザ200の内部における光路について計算を行った。
ガイド層202の屈折率をn1、クラッド層201の屈折率をn2、外部の屈折率をn0とした。
また、側壁面210とクラッド層201の底面とのなす角度をα°、側壁面210に対する垂線と外部からの入射光のなす角度をθ°=(90−α)°とした。ここで、外部からの入射光は、二次元フォトニック結晶203の面に対して、水平方向に入射してくるものとした。
そこで、Snellの法則から、ガイド層202とクラッド層201の界面で全反射条件を満たす、すなわち、該二次元フォトニック結晶203を含む導波路に入射光が結合する傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθmax°として計算した。
図2(b)に、該ガイド層202の屈折率n1を2.54(GaNの屈折率)として、該ガイド層202と該クラッド層201の比率n2/n1に対する、(90+θmax)°の結果を示す。
ここで、外部の屈折率n0が、1.0(空気の屈折率)および1.5(二酸化ケイ素の屈折率)とした時の2通りについて計算を行った。
二次元フォトニック結晶203の面と側壁面210とのなす角度が、(90+θmax)°超のとき、外部から入射した光は、ガイド層202とクラッド層201の界面で全反射せず、該ガイド層202を伝播しない。
そのため、外部から入射した光は、該二次元フォトニック結晶203に結合しない。
例えば、ガイド層202の屈折率n1を2.54(GaNの屈折率)、クラッド層201の屈折率n2を2.50(AlGaNの屈折率)、外部の屈折率n0を1.0(空気の屈折率)としたとき、(90+θmax)°は106.6°となる。
すなわち、二次元フォトニック結晶203を含むガイド層202と側壁面210とのなす角度が106.6°超であるように、該側壁面210が傾斜していれば、外部から入射した光が該フォトニック結晶203に結合することを抑制できる。
そのため、外部から入射した光は、該二次元フォトニック結晶203に結合しない。
図2(c)に、ガイド層201の屈折率n1を3.6(GaAsの屈折率)として、該ガイド層202とクラッド層201の比率n2/n1に対する、(90+θmax)°の結果を示す。
該ガイド層201の屈折率n1が3.6のときも、該屈折率n1が2.54のときと同様の傾向を示している。
また、前述した、図1に示した、選択成長用マスク103を用いた選択成長方法によって、傾斜した側壁面114を形成した場合においても、二次元フォトニック結晶120から漏れてきた光は、つぎのように外部に放射される。
すなわち、該二次元フォトニック結晶120から漏れてきた光は、該側壁面114の領域で、ガイド層113が大きく曲がっていることから、大部分は反射されずに、外部に放射される。
これらにより、有効な反射戻り光をガイド層の外に放射でき、二次元フォトニック結晶における共振モードが不安定になることを抑制することができるという副次的効果も期待できる。
そして、メサ状に形成された面発光レーザの側壁面において導波路外に放射される。
外部に放射された光は、隣に配置された面発光レーザに到達するが、上記本実施形態の構成によれば、該面発光の側壁面が内部の導波路の最大受光角度以上で傾斜しているため、該導波路に結合しない。
それによって、隣り合うレーザとのクロストークを抑制することが可能となる。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用して構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図1を用いて説明する。
本実施例の面発光レーザ100は、二次元フォトニック結晶120を含むp型ガイド層113と、活性層112と、n型クラッド層111と、n型コンタクト層110と、電極101および102とを備えている。
二次元フォトニック結晶を含むp型ガイド層113およびn型コンタクト層110は、それぞれたとえばp型およびn型GaNの半導体層からなる。
二次元フォトニック結晶を含むp型光ガイド層113、および、n型クラッド層111は、活性層112に注入されるべきキャリアが伝導する伝導層として機能する。
該井戸層のバンドギャップは、該障壁層、二次元フォトニック結晶を含むp型光ガイド層113のバンドギャップより小さい。
該活性層112は、キャリアの注入により発光する。なお、本実施例における活性層112は、上記の多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造であってもよい。
なお、本実施例における電極材料は、Auに特に限定されるものではなく、他の材料であってもよい。
電極101、102間に電圧を印加することにより活性層112が発光し、該活性層112からしみ出した光が、二次元フォトニック結晶120に入射する。
フォトニック結晶120が有する所定の周期に一致する光は、該フォトニック結晶120により回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。
フォトニック結晶120によって位相が規定された光は、回折により該活性層112内の光にフィードバックされ、定在波を発生させる。
この定在波は、該フォトニック結晶120において規定される光の波長および位相条件を満足している。
これにより、光は該フォトニック結晶120で共振して増幅され、コヒーレントな光が、該フォトニック結晶120の面の垂直方向に面発光される。
なお、本実施例におけるフォトニック結晶周期構造体121は、該二次元フォトニック結晶を形成している半導体層の屈折率(GaNの場合2.54)との屈折率の差を大きくとれる、空気(屈折率1.0)からなっていることが好ましい。しかしながら、二次元フォトニック結晶を形成している半導体よりも低屈折率の誘電体材料でフォトニック結晶周期構造体121が形成されていてもよい。
フォトニック結晶周期構造体121を形成する低屈折率の誘電体材料としては、たとえば、二酸化ケイ素(屈折率1.5)や窒化シリコン(SiNx)などを用いることができる。
そのために、まず、前記n型コンタクト層110の上に、アレイ化するレーザの個数分の円形パターンを施したレジストを形成する。
次に、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタリング装置などを用いて、二酸化ケイ素を成膜する。
続いて、リフトオフを行うことにより、円形の開口部を有する選択成長用マスク103が形成される。
なお、開口部の形状は、円形に特に限定されるものではなく、例えば、六角形、四角形などであってもよい。
また、本実施例における選択成長用マスク103の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えばドライエッチング法などであってもよい。
この場合は、先ず、前記n型コンタクト層110の上に、二酸化ケイ素を成膜する。
次に、前記二酸化ケイ素の膜上に、レジストマスクを形成し、所定のパターンを施した後、ドライエッチングを行うことで、選択成長用マスク103が完成する。
すなわち、成長圧力を80Torr、成長温度を1050℃、にそれぞれ設定して、n型AlGaNからなる薄膜半導体層を積層する。
これにより、選択成長用マスク103が設けられていない個所から、該選択成長用マスク103上への横方向成長を、{1−101}面が形成されるように制御しつつ、n型AlGaNを結晶成長させることが出来る。
この結果、選択成長用マスク103の上に、側壁面が{1−101}面からなる、メサ状の下部クラッド層111が形成される。
これにより、図3(a)に示すように、順メサ状に形成された六角形状の半導体多層膜構造体305が、アレイ上に集積される。
なお、本実施例における、前記構造体の配置は、選択成長用マスク303の開口部の位置によって、任意に制御できる。
集積度を向上させるためには、本実施例における六角形状の半導体多層膜構造体305においては、三角格子状に配列することが好ましいが、特に限定されるものではなく、例えば、正方格子状などに配列してあってもよい。
続いて、半導体多層膜構造体305の上部にp型電極302を成膜する。
次に、電子ビーム露光によって、所定形状のパターンが施されたレジストマスクを形成し、p型電極302および半導体多層膜構造体305の上部をドライエッチングする。
その後、前記レジストマスクを除去することで、図3(c)に示すように、面内方向に二次元的かつ周期的に配列され、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶302が形成される。
次に、n型コンタクト層310の裏面にn型電極301を形成し、面発光レーザアレイ300が完成する。
このとき、二次元フォトニック結晶120の面と側壁面114とのなす角度は、118°となる。この場合、外部から入射した光は、ガイド層113とクラッド層111の界面で全反射せず、二次元フォトニック結晶120に結合しない。
したがって、隣り合うレーザとのクロストークを抑制することができ、素子特性と向上することが可能となる。
なお、本実施例では、n型コンタクト層110として、n型GaN基板を用いる場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザアレイにおいて、n型コンタクト層110の形成は、n型GaN基板を用いることに、特に限定されるものではない。
例えば、n型GaN基板に代え、n型SiC基板を用いてもよい。
また、サファイア基板上に、MOCVD法により、歪緩衝層を介してGaNからなる転位低減のためのGaNバッファ層を形成し、その上に、n型GaNを形成することで、n型コンタクト層としてもよい。
この場合は、レーザリフトオフ法により、前記歪緩衝層を熱分解し、前記サファイア基板を剥離した後、n型電極を形成する。
また、前記n型電極の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、別の方法であってもよい。例えば、前記サファイア基板は剥離せずに、面発光レーザアレイの表面側から、ドライエッチング法により、n型GaN層の一部を露出させ、そこにn型電極を形成してもよい。
また、サファイア基板ではなく、シリコン基板などを用いてもよい。
この場合は、シリコン基板上に、MOCVD法により、歪緩衝層を介してGaNからなる転位低減のためのGaNバッファ層を形成し、その上に、n型GaNを形成することで、n型コンタクト層としてもよい。
また、前記シリコン基板にn型シリコンを用いる場合は、該n型シリコン基板の裏面に、n型電極を形成することができ、基板剥離の工程が不要となる。
この場合は、フォトニック結晶を含むガイド層がn型GaNからなる半導体層で形成されることになる。
ここで、n型GaNは、p型GaNと比較して、低抵抗である。
これより、フォトニック結晶を構成する空孔により電流の流れる領域が制限された、該フォトニック結晶を含むガイド層においては、該ガイド層をn型GaNで形成することにより、該ガイド層の抵抗を減少させることが可能となる。
図4において、401,402は電極、403は選択成長用マスク、410は基体およびコンタクト層、411は下部クラッド層、412は活性層である。
413は二次元フォトニック結晶を含むガイド層、420は二次元フォトニック結晶、430はn型GaN層、431は下部ガイド層、432は上部クラッド層である。
本実施例では、図1に示したように、n型GaN基板からなる下部コンタクト層110上に、下部クラッド層111を直接形成している。
しかし、図4(a)に示すように、下部コンタクト層410上に、n型GaN層430を形成した後、n型AlGaNからなる下部クラッド層411を形成してもよい。
このように、MOCVD法により、n型GaN層430を形成した後、n型AlGaN層411を形成する場合は、n型GaN基板411の上に、直接n型AlGaN層411を形成する場合と比較して、結晶品質の高いn型AlGaN層411の形成が可能である。
これにより、SCH構造(Separated confinement heterostructure:分離閉じ込めヘテロ構造)を形成できる。
このため、発光に寄与するキャリアは活性層412に、活性層412から発光した光は、活性層412、下部ガイド層431および上部ガイド層413に、それぞれ閉じ込めるようになっている。
しかし、図4(b)に示すように、p型ガイド層413の上にp型AlGaNからなる上部クラッド層432を形成した後、p型電極402を形成してもよい。
この場合、先ず、本実施例における、二次元フォトニック結晶を含むp型ガイド層413まで形成する。
次に、非特許文献2に開示されているような成長方法を用いることで、該二次元フォトニック結晶420をp型AlGaNからなる上部クラッド層432により埋め込む。
これにより、二次元フォトニック結晶420とp型電極402との距離が離れることで、該二次元フォトニック結晶420に導入された光が、金属からなるp型電極402に吸収されることを抑制することができる。
このため、二次元フォトニック結晶と電極が近接した場合と比較して、前記面発光レーザの特性の向上が可能である。
実施例2では、実施例1と異なり、二次元フォトニック結晶が、活性層の下側に形成された、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイについて説明する。
図5に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザの構成を示す。
図5(a)、(b)において、501、502は電極、503は選択成長用マスク、510は基体およびコンタクト層、511は下部クラッド層、512は活性層、513は二次元フォトニック結晶を含むガイド層である。
520は二次元フォトニック結晶、521はフォトニック結晶周期構造体、532は上部クラッド層、533は上部ガイド層、541は開口部である。
まず、図1に示す実施例1と同様の構成で、下部クラッド層511まで形成した。
次に、二次元フォトニック結晶の空孔の深さに対応する厚みの、n型GaNからなるn型ガイド層を積層する。
続いて、ドライエッチング法を用いて、前記二次元フォトニック結晶520を形成する。
その後、前述した非特許文献2に開示されているような成長方法を用いることで、前記二次元フォトニック結晶を埋め込んだn型GaNからなる下部ガイド層513を形成した。
次に、活性層512と、p型ガイド層533と、p型クラッド層532と、をこの順番で形成する。
続いて、n型コンタクト層510にn型電極501と、p型クラッド層532にp型電極502と、を形成し、面発光レーザアレイが完成する。
ここで、本実施例における二次元フォトニック結晶520の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではない。
例えば、先ず、下部クラッド層511の上部に、二酸化ケイ素などからなる誘電体層を成膜する。
そして、成膜後において電子ビーム露光によって該誘電体層上に所定形状のレジストを形成する。
なお、本実施例における前記誘電体は、前記二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気の屈折率よりも高く、ガイド層513の屈折率よりも低い媒質であればよい。
例えば、シリコン窒化膜(SiNx)などを用いることも出来る。
続いて、前記レジストをマスクとして、前記誘電体層をドライエッチングする。その後、前記レジストを除去することで、面内方向に二次元的かつ周期的に配列され、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶周期構造体521が形成される。
次に、MOCVD法により、前記フォトニック結晶周期構造体521を埋め込むように、n型GaN層を形成する。これにより、二次元フォトニック結晶を含むガイド層513が形成される。
実施例3では、選択成長用マスクの開口部の大きさを制御することで、該選択成長用マスクを電流狭窄層として機能させ、電流注入効率を高めた、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイについて説明する。
図5(b)に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザの構成を示す。
本実施例では、実施例2と比較して、選択成長用マスク503の開口部541の大きさが小さくなっている。
本実施例において、選択成長用マスク503の開口部541の大きさ以外の構成は、実施例2と同様である。
その後、n型AlGaNからなる下部クラッド層511の上部の面積が、二次元フォトニック結晶520に必要な面積に達するまで、MOCVD法により横方向成長を促進させながら、該下部クラッド層511を成長する。
本実施例において、選択成長用マスク503の開口部541の大きさ、および、下部クラッド層511以外の作製工程は、実施例2と同様である。
なお、本実施例では、二次元フォトニック結晶520が、活性層512の下側に配置された、実施例2と同様の構成を有する場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザアレイにおいて、二次元フォトニック結晶520の配置場所は特に限定されるものではない。
例えば、二次元フォトニック結晶520が活性層512の上側に配置された、実施例1と同様の構成にしてもよい。
実施例4では、実施例1から実施例3に示した選択成長用マスクを用いた再成長法による傾斜した側壁面の作製に代え、ドライエッチング法により、傾斜した側壁面が作製された二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイについて説明する。
図6に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイの構成を示す。
図6(a)、(b)において、600は面発光レーザ、601、602は電極、610は基体およびコンタクト層、611は下部クラッド層、612は活性層、613は二次元フォトニック結晶を含むガイド層である。
614は側壁面、620は二次元フォトニック結晶、632は上部クラッド層、633は上部ガイド層である。
まず、n型GaNからなる基板610の上に、MOCVD法により、n型AlGaNからなる下部クラッド層611と、n型GaNからなる下部ガイド層631と、活性層612と、p型GaNからなるp型ガイド層613と、をこの順番に形成する。
次に、ドライエッチング法を用いて、メサを形成することで、側壁面614が傾斜した半導体多層膜構造体を形成する。
ここで、p型ガイド層の表面と、前記側壁面とのなす角度が、図2(b)に示したような角度超、すなわち、ガイド層613とクラッド層611との界面で全反射が生じない角度で傾斜するように、メサを形成する。
続いて、基本的に図1に示す実施例1と同様の構成で、二次元フォトニック結晶620と、電極601および602と、を形成することで、図6(c)に示すような二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイを作製した。
ここで、本実施例において、面発光レーザの形状は、順メサ状に形成された四角形状であるが、四角形に特に限定されるものではなく、例えば、六角形であってもよいし、八角形であってもよいし、円形などであってもよい。
例えば、二次元フォトニック結晶を含むガイド層の側壁面の任意の場所における接線を含む平面と、二次元フォトニック結晶の面とのなす角度が、図2(b)に示したような角度超、
すなわち、ガイド層とクラッド層との界面で全反射が生じない角度であれば、例えば、図6(d)に示すように、曲面であってもよい。
また、本実施例において、面発光レーザアレイの配列は、正方格子状であるが、正方格子に特に限定されるものではなく、例えば、三角格子であってもよく、任意の配列にすることができる。
本実施例において、二次元フォトニック結晶を含むp型ガイド層613の上に、p型電極602を直接形成しているが、実施例1と同様に、該p型ガイド層613の上にp型AlGaNからなるp型クラッド層を形成し、その上にp型電極を形成してもよい。
なお、本実施例では、二次元フォトニック結晶620が、活性層612の上側に配置された、実施例1と同様の構成を有する場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザアレイにおいて、二次元フォトニック結晶の配置場所は特に限定されるものではない。
例えば、図6(b)に示すように、二次元フォトニック結晶620が活性層612の下側に配置された、実施例2と同様の構成にしてもよい。
101,102:電極
103:選択成長用マスク
110:基体およびコンタクト層
111:下部クラッド層
112:活性層
113:二次元フォトニック結晶を含むガイド層(導波路層)
114:側壁面
120:二次元フォトニック結晶
121:フォトニック結晶周期構造体
Claims (5)
- 面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶層と活性層を備えた面発光レーザが複数アレイ状に配列された面発光レーザアレイであって、
前記二次元フォトニック結晶層は、導波路層と前記導波路層内に二次元的かつ周期的に配列された周期構造体とから構成され、
前記二次元フォトニック結晶層は傾斜した側壁面を有し、
前記側壁面と前記二次元フォトニック結晶層の面とのなす角度は、外部から前記側壁面に入射した光が、前記二次元フォトニック結晶層と前記二次元フォトニック結晶層と接する層との界面において全反射条件を満たさない角度であり、
前記入射した光が前記二次元フォトニック結晶層と接する前記層を伝搬し、前記二次元フォトニック結晶層と結合しないことを特徴とする面発光レーザアレイ。 - 前記側壁面が、曲面で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザアレイ。
- 前記側壁面が、{1−101}面、または{11−22}面によって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザアレイ。
- 前記周期構造体の屈折率は前記導波路層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の面発光レーザアレイ。
- 前記導波路層が、窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の面発光レーザアレイ。
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