KR20080049734A

KR20080049734A - 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원

Info

Publication number: KR20080049734A
Application number: KR1020087005949A
Authority: KR
Inventors: 스스무 노다; 에이지 미야이; 다이 오오니시
Original assignee: 고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠; 로무 가부시키가이샤
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-06-04
Also published as: US8711895B2; WO2007029661A1; EP1933431A1; TW200735496A; US20120002692A1; US20090135869A1; EP1933431A4

Abstract

본 발명은 면수직 방향으로의 광취출 효율이 높은 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원을 제공하는 것을 목적으로 한다. 판 형상의 모재내에 빈 구멍(25)을 다수, 주기적으로 배치하여 이루어지는 2차원 포토닉 결정층(24)과, 2차원 포토닉 결정층(24)의 한 쪽측에 마련한 활성층(23)을 구비하는 레이저 광원에 있어서, 빈 구멍(25)을, 원형 등의 소정 단면 형상을 갖는 기둥 형상으로서 그 기둥의 주축이 모재의 표면에 대해 기울기를 갖도록 형성한다. 이와 같은 2차원 포토닉 결정층(24)을 갖는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원은 면수직 방향의 Q치인 Q_⊥치가 레이저 광의 발진에 적합한 값(수천)으로 되고, 면수직 방향으로의 광취출 효율이 높다.

Description

2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원{TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL SURFACE LIGHT EMITTING LASER LIGHT SOURCE}

본 발명은 평면 형상의 광원으로부터 면에 수직인 방향으로 레이저 광을 방사하는 면발광 레이저 광원에 관한 것이다.

종전부터, 패브리ㆍ패로(Fabry-Perot) 공진기를 이용한 패브리ㆍ패로형 레이저 광원이나, 회절 격자를 이용한 분포 귀환(Distributed Feedback; DFB)형 레이저 광원이 이용되고 있다. 이들 레이저 광원은 모두 공진이나 회절에 의해 소정 파장의 광을 증폭하여 레이저 광을 발진시키는 것이다.

이에 대하여, 최근, 포토닉 결정을 이용한 새로운 타입의 레이저 광원이 개발되고 있다. 포토닉 결정이란 유전체로 이루어지는 모재(母材)에 주기(周期) 구조를 인공적으로 형성한 것이다. 주기 구조는 일반적으로, 모재와는 굴절률이 다른 영역(이굴절률 영역(異屈折率領域))을 모재내에 주기적으로 마련하는 것에 의해 형성된다. 이 주기 구조에 의해, 결정내에서 브래그 회절이 발생하고, 또 광의 에너지에 에너지 밴드갭이 나타난다. 포토닉 결정 레이저 광원에는 밴드갭 효과를 이용하여 점 결함(点缺陷)을 공진기로서 이용하는 것과, 광의 그룹 속도가 0 으로 되는 밴드 단(端)의 정재파(定在波)를 이용하는 것이 있다. 모두 소정 파장의 광을 증폭하여 레이저 발진을 얻는 것이다.

특허 문헌 1에는 발광 재료를 포함하는 활성층의 근방에 2차원 포토닉 결정을 형성한 레이저 광원이 기재되어 있다. 이 2차원 포토닉 결정에는 반도체로 이루어지는 판 형상의 모재에 원주 형상의 빈 구멍(空孔)이 주기적(3각 격자 형상, 정방 격자 형상, 6각 격자 형상 등)으로 마련되고, 모재의 굴절율의 분포가 2차원적인 주기성을 갖고 있다. 이 주기를, 전극으로부터의 캐리어의 주입에 의해 활성층에서 생성되는 광의 매질내 파장에 일치시키는 것에 의해, 2차원 포토닉 결정의 내부에 2차원 정재파가 형성되고, 그것에 의해 광이 강화되어서 레이저 발진한다.

도 1에, 특허 문헌 1에 기재된 2차원 포토닉 결정의 내부에 형성되는 정재파를 모식적으로 나타낸다. 이 도면에서는 결정면내의 한 방향(x 방향으로 함)의 정재파만을 1차원적으로 나타내고 있으나, 예를 들어 정방 격자의 경우에는 그것에 수직인 방향에도 정재파가 형성된다. 전기장(電場)에 주목하면, 이 정재파는 2차원 포토닉 결정(11)내의 빈 구멍(12) 부분에 마디(節)를 갖는 것과 배(腹)를 갖는 것인 2개 모드를 형성한다. 어느 빈 구멍(12)의 중심을 통과하는 축(z축)을 대칭축으로 정의하면, 그 축에 관하여 전자는 반대칭이고, 후자는 대칭이다. 여기서 외부 평면파와의 결합을 고려하면, z 방향에 전파하는 평면파의 분포 함수는 x 방향에 관해서는 일양(一樣)인데 반해, 대칭축에 관해서는 반대칭 모드에서는 기(奇)함수, 대칭 모드에서는 우(偶)함수로 된다. 2차원 포토닉 결정의 크기가 무한이라고 가정하면, 대칭 모드에서는 외부 평면파와의 중첩 적분이 0 은 아니기 때문에, 면수직 방향으로의 1차 회절광이 발생한다. 그것에 대하여, 반대칭 모드에서는 외부 평면 파와의 중첩 적분이 0 으로 되기 때문에, 간섭에 의해 면수직 방향으로의 1차 회절광이 발생하지 않는다. 그 때문에, 이 반대칭 모드는 면수직 방향으로 광을 취출할 수 없다.

실제로는 2차원 포토닉 결정의 크기가 유한하기 때문에, 반대칭 모드의 광도 대칭성이 무너져서 면수직 방향으로 취출할 수 있다. 그러나 그 경우에 있어서도, 면수직 방향으로 취출된 광의 강도는 간섭의 영향을 받아 약화된다.

이와 같은 간섭의 영향을 억제하여 면수직 방향으로의 광취출 효율을 높이기 위해, 종전부터, 2차원 포토닉 결정의 면내에서의 굴절률 분포의 대칭성을 무너뜨리는 것이 검토되어 왔다. 특허 문헌 2에는 병진(竝進) 대칭성은 있으나 회전 대칭성이 없는 격자 구조를 형성하는 것에 의해, 모재에 평행한 면내에서의 대칭성을 무너뜨린 2차원 포토닉 결정을 갖는 면발광 레이저 광원에 대해 기재되어 있다. 이와 같은 대칭성은 예를 들어 이굴절률 영역인 빈 구멍을 정방 격자 형상으로 배치하고, 각 빈 구멍의 평면 형상(2차원 포토닉 결정에 평행한 단면의 형상)을 정삼각형으로 하는 것에 의해 형성된다. 이 경우, 격자는 4회 회전 대칭성을 갖고, 빈 구멍은 3회 회전 대칭성을 갖지만, 양쪽의 회전 대칭성이 일치하지 않기 때문에, 결정 전체로서는 회전 대칭성이 없다. 또, 정방 격자의 1개의 격자점에, 평면 형상이 완전 원(眞圓)으로서 지름이 다른 2개의 빈 구멍을 인접하여 마련한다고 하는 방법도 있다. 이 경우, 격자점에 회전 대칭성이 없고, 그 때문에 결정 전체로서도 회전 대칭성이 없다. 이들의 레이저 광원에서는 2차원 포토닉 결정의 격자 구조의 대칭성이 도 1에 나타낸 격자 구조보다도 낮기 때문에, 반대칭 모드의 광의 간섭 영향 을 억제하고, 면수직 방향으로 취출된 광의 강도를 종전보다 강하게 할 수 있다.

특허 문헌 1 ; 일본 특개 2000-332351호 공보([0037] ~ [0056], 도 1)

특허 문헌 2 ; 일본 특개 2004-296538호 공보([0026] ~ [0037], 도 1 ~ 5)

레이저 광원의 효율을 나타내는 지침의 하나에, 레이저 광원에 주입하는 전류의 증가분을 분모로 하고, 그 전류 증가에 의한 면수직 방향으로의 광 출력의 증가분을 분자로서 나타내는 미분 양자 효율

_d가 있다. 미분 양자 효율

_d는 면수직 방향의 Q치(値)인 Q_⊥, 측면 방향의 Q치인 Q_//, 및 내부 흡수나 산란 손실을 나타내는 무차원 인자

를 이용하여 나타내는 값

[식 1]

에 비례한다. 미분 양자 효율을 향상시키려면,

를 작게 하는 동시에, 1/Q_⊥를 크게, 즉 Q_⊥를 작게 하는 것이 유효하다. 단, Q_⊥가 너무 작으면 레이저 발진시킬 수 없기 때문에, Q_⊥치는 소정의 범위(수천 정도)에 수용되는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 정의한 Q_⊥는 유한 주기 구조(유한의 크기)를 갖는 2차원 포토닉 결정에 대하는 것이지만, 이하에서 Q_⊥는 무한 주기 구조에 대하여 정의된 것으로서 취급한다. 무한 주기 구조의 Q_⊥는 유한 주기 구조의 Q_⊥와 상관이 있기 때 문에, 계산이 용이한 무한 주기 구조의 Q_⊥를 이용하여 논의해도 본질은 저해되지 않는다.

또, 레이저 광원의 효율을 높이기 위해서는 레이저 발진에 이용하는 포트닉 밴드의 선택에 유의할 필요가 있다. 도 2에, 빈 구멍을 정방 격자 형상으로 배치한 2차원 포토닉 결정의 포트닉 밴드 도면을 나타낸다. 이 2차원 포토닉 결정에서는 k=0(Γ점) 부근에 4개의 밴드가 형성된다. 이들의 밴드 중 저에너지(저주파수)측의 2개 밴드의 밴드 단 A, B가 레이저 발진에 기여한다. 이 중 밴드 단 B는 Γ점 부근에서 평편한 분산 관계를 나타내기 때문에, 현실의 유한 주기 구조에서는 Γ점 이외의 파수(波數)를 갖는 광이 보다 많이 혼재한다. Γ점 이외의 파수를 갖는 광은 대칭성이 낮기 때문에, 면수직 방향으로는 갇히지 않는다. 따라서 현실의 디바이스에서 통상, 밴드 단 B는 밴드 단 A에 비해 Q_⊥치가 낮아지고, 밴드 단 A가 발진 모드로 된다. 또한, 도 2에서는 빈 구멍의 평면 형상을 타원형으로 한 경우의 계산 결과를 나타내었으나, 빈 구멍이 다른 형상인 경우에도 기본적으로는 동양(同樣)이다.

특허 문헌 2에 기재된 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원에 대해, 본원 발명자가 2차원 포토닉 결정의 Q치를 계산한 바, 빈 구멍의 크기를 적절히 설정하는 것에 의해 밴드 단 A에 대한 Q_⊥치를 수천 정도로 하면, 밴드 단 B에 대한 Q_⊥의 값이 수십만 ~ 수백만 정도라고 하는 큰 값으로 되는 것이 명백해졌다. 밴드 단 A에 대한 밴드 단 B의 Q_⊥치가 이와 같이 커지면, 밴드 단 B에서 레이저 발진이 발생 할 가능성이 있다. 현실의 레이저 광원에서는 상술한 바와 같이 원래는 밴드 단 A가 선택되지만, 밴드 단 B의 Q_⊥치가 커지면 불안정한 2 모드 발진을 일으킬 가능성이 있다. 또, 밴드 단 B가 발진으로 선택되면, 그 Q_⊥치가 너무 크기 때문에 면수직 방향으로의 광취출 효율이 낮아진다.

또, 특허 문헌 2에 기재된 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원에서는 그 제조시에 이하의 문제가 발생한다. 통상의 제조 방법에 의하면, 먼저 2차원 포토닉 결정의 모재(또는 모재에 활성층 등의 일부 층을 적층한 것)을 제작하고, 드라이 에칭 등의 방법에 의해, 모재에 정삼각주의 빈 구멍을 주기적으로 형성한다. 그리고, 모재를 포함하는 각 층(클래드 층이나 전극 등)을 중첩하여 가열하는 것에 의해 각 층을 접착한다. 이 열처리 시에, 빈 구멍의 정삼각주의 모퉁이가 변형하여 둥글게 되고, 원주에 가까운 형상으로 되는 일이 있다. 이 변형이 발생하면, 빈 구멍의 평면 형상의 대칭성이 정삼각주보다도 높아지고, 광취출 효율이 저하한다.

본 발명이 해결하려고 하는 과제는 면수직 방향으로의 광취출 효율이 높고, 또한 열 등에 의한 변형의 영향을 받기 어려운 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명에 관한 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원의 제1 형태는, 활성층과, 상기 활성층의 한 쪽측에 마련한 2차원 포토닉 결정을 갖는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원에 있어서, 상기 2차원 포토닉 결정이, 판 형상의 모재내에 상기 모재와는 굴절률이 다르고, 소정의 단면 형상을 갖는 기둥 형상으로서 상기 기둥의 주축이 모재의 표면에 대해 기울기를 갖는 이굴절률 영역을 다수, 주기적으로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제1 형태의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원에 있어서, 상기 이굴절률 영역으로서, 사원주(斜圓柱) 형상이고 상기 사원주의 주축의 기울기가 모재의 표면의 수직선에 대해 20°~ 45°인 것을 이용할 수 있다. 또는 상기 이굴절률 영역으로서, 활성층의 반대측 면으로부터 활성층측으로 향함에 따라 모재 표면에 있어서 단면이 정삼각형의 저변측으로 기울고 있는 경사 정삼각주 형상인 것을 이용할 수도 있다.

본 발명에 관한 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원의 제2 형태는, 활성층과, 상기 활성층의 한 쪽측에 마련한 2차원 포토닉 결정을 갖는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원에 있어서, 상기 2차원 포토닉 결정은, 판 형상의 모재내에, 상기 모재와는 굴절률이 다른 복수의 영역으로 이루어지고 상기 영역 중 적어도 2개의 두께가 서로 다른 이굴절률 영역 집합체를 다수, 주기적으로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이굴절률 영역 집합체내의 각 이굴절률 영역의 평면 형상은 서로 다른 것으로 할 수 있다. 또, 이굴절률 영역 집합체내의 각 이굴절률 영역은 평면 형상의 면적이 클수록 두께가 두꺼운 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원의 제조 방법은, 제2 형태의 레이저 광원의 제조 방법에 있어서, 활성층과, 상기 활성층의 한 쪽측에 마련한 2차원 포토닉 결정을 갖는 레이저 광원의 제조 방법으로서, 판 형상의 모재상에 면적이 다른 2개 이상의 구멍으로 이루어지는 구멍 집합체를 다수, 주기적으로 배치한 마스크를 형성하고, 상기 마스크의 위로부터 상기 모재를 드라이 에칭하고, 모재에 형성되는 빈 구멍이 모두 모재를 관통하기 전에 상기 드라이 에칭을 종료하는 것에 의해 상기 2차원 포토닉 결정을 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 2차원 포토닉 결정내의 정재파의 반대칭 모드와 대칭 모드를 나타내는 그래프.

도 2는 2차원 포토닉 결정에 있어서 포토닉 밴드의 예를 나타내는 그래프.

도 3은 제1 실시예(제1 형태의 면발광 레이저의 일 실시예)의 레이저 광원의 사시도.

도 4는 제1 실시예에 있어서 빈 구멍(25)의 형상을 나타내는 사시도, 투영도 및 단면도.

도 5는 제1 실시예의 레이저 광원에 있어서 Q_⊥A치 및 Q_⊥B치의 계산 결과를 나타내는 그래프.

도 6은 제2 실시예에 있어서 빈 구멍(45)의 형상을 나타내는 사시도, 투영도 및 단면도.

도 7은 제3 실시예에 있어서 빈 구멍(55)의 형상을 나타내는 사시도, 투영도 및 단면도.

도 8은 비교예 1의 빈 구멍(65)의 형상을 나타내는 사시도 및 전기장 분포의 계산을 행한 면을 나타내는 단면도.

도 9는 제1 실시예에 있어서 전기장 분포의 계산 결과를 나타내는 도면.

도 10은 제2 실시예에 있어서 전기장 분포의 계산 결과를 나타내는 도면.

도 11은 제3 실시예에 있어서 전기장 분포의 계산 결과를 나타내는 도면.

도 12는 비교예 1에 있어서 전기장 분포의 계산 결과를 나타내는 그림.

도 13은 제4 실시예(제2 형태의 면발광 레이저의 일 실시예)의 레이저 광원의 사시도.

도 14는 제4 실시예의 레이저 광원에 있어서 2차원 포토닉 결정층(74)의 상면도(a) 및 이굴절률 영역 집합체(75)의 확대도(상면도(b) 및 종단면도(c)).

도 15는 제4 실시예의 레이저 광원의 제조 방법을 나타내는 종단면도.

도 16은 제4 실시예에서 제작한 레이저 광원의 2차원 포토닉 결정층(74)의 현미경 사진(상면도(a) 및 종단면도(b)).

도 17은 제4 실시예(a) 및 비교예 2(b)의 레이저 광원의 전극으로부터 주입한 전류와 발광 강도의 관계를 측정한 결과를 나타내는 그래프.

도 18은 제4 실시예의 레이저 광원에 있어서 2차원 포토닉 결정층(74)내의, 밴드 단 A에 관한 전자계 분포의 계산 결과를 나타내는 도면.

도 19는 제1 빈 구멍(751) 및 제2 빈 구멍(752)의 형상 예를 나타내는 평면도.

<부호의 설명>

11ㆍㆍㆍ2차원 포토닉 결정

12, 25, 45, 55, 65ㆍㆍㆍ빈 구멍

21ㆍㆍㆍ양전극

22ㆍㆍㆍ음전극

23ㆍㆍㆍ활성층

24, 74ㆍㆍㆍ2차원 포토닉 결정층

261, 262, 263ㆍㆍㆍ스페이서층

271, 272ㆍㆍㆍ클래드층

28ㆍㆍㆍ컨택트층

31ㆍㆍㆍ주축

61ㆍㆍㆍ활성층(23)측의 저면을 포함하는 빈 구멍(65)의 면

62ㆍㆍㆍ활성층(23)내의 그 층에 평행한 빈 구멍(65)의 면

661ㆍㆍㆍ빈 구멍 중 x 방향의 부(負)측 단(端) 부근에 있는 영역

662ㆍㆍㆍ빈 구멍 중 x 방향의 정(正)측 단 부근에 있는 영역

67ㆍㆍㆍ마디

68ㆍㆍㆍ무게 중심

75ㆍㆍㆍ이굴절률 영역 집합체

751ㆍㆍㆍ제1 빈 구멍

752ㆍㆍㆍ제2 빈 구멍

81ㆍㆍㆍ모재

82ㆍㆍㆍ제1 적층체

83ㆍㆍㆍ레지스트

841ㆍㆍㆍ장방형 구멍

842ㆍㆍㆍ원형 구멍

85ㆍㆍㆍ제2 적층체

이하, 제1 형태의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원(이하,「레이저 광원」이라 함) 및 제2 형태의 레이저 광원에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 관한 레이저 광원에 공통인 구성을 설명한다. 본 발명에 관한 레이저 광원에서는 활성층의 한 쪽측에 2차원 포토닉 결정을 마련한다. 여기서, 활성층과 2차원 포토닉 결정은 직접 접하고 있을 필요는 없고, 양자간에 스페이서 등의 부재가 삽입되어 있어도 된다. 활성층에는 종래부터 패브리ㆍ패로형 레이저 광원에 이용되고 있는 것과 동양인 것을 이용할 수 있다. 2차원 포토닉 결정은 판 형상의 모재내에 그것과는 굴절률이 다른 이굴절류 영역을 다수, 주기적으로 배치하는 것에 의해 형성된다. 이굴절률 영역은 모재에 그것과는 굴절률이 다른 부재를 매립하는 것에 의해서 형성할 수도 있으나, 모재에 빈 구멍을 마련하는 것에 의해 형성하는 쪽이, 모재와의 굴절률의 차를 크게 취할 수 있을 뿐만 아니라, 제조도 간단하기 때문에 바람직하다.

제1 형태 및 제2 형태에서는 각각, 광취출 효율을 높이는 동시에 열 등에 의한 변형의 영향을 받기 어렵게 하기 위하여, 이하에 기술하는 바와 같이 이굴절률 영역의 형상을 고안한다.

(1) 제1 형태의 레이저 광원

제1 형태의 레이저 광원에서, 이굴절률 영역은 소정의 단면 형상을 갖는 기둥 형상이고, 그 기둥의 주축은 모재의 표면에 대하여 기울기를 갖는다. 또한, 본 출원에 있어서 「기둥」이란 층에 평행한 단면의 형상이 일정하고, 각 단면의 무게 중심(center of gravity; 重心)을 연결하는 선이 직선인 입체의 것을 말한다. 그리고, 이 직선을 기둥의 주축이라 부른다. 이와 같은 형상의 이굴절률 영역은 모재의 표면에 평행한 면내에서의 대칭성, 구체적으로는 모재의 표면에 수직인 축의 주위의 회전 대칭성을 갖지 않는다.

이와 같은 이굴절률 영역을 갖는 2차원 포토닉 결정을 마련한 레이저 광원에서는 이굴절률 영역이 상술한 바와 같이 대칭성을 갖지 않음으로써, 2차원 포토닉 결정의 중심 부근에 있어서도 반대칭 모드의 광이 없어지지 않기 때문에, 면수직 방향으로의 광취출 효율이 양호하게 된다.

또, 제1 형태의 레이저 광원에 의해, 밴드 단 B에 대한 Q_⊥치인 Q_⊥B치를 억제할 수 있다. 이 이유는 이하와 같이 생각할 수 있다. 포토닉 결정 및 활성층에 형성되는 정재파의 마디에는 모재 표면에 평행한 면내에서는 이굴절률 영역의 무게 중심의 근방에 있다. 한편, 광의 강도는 활성층에 있어서 최대로 되기 때문에, 광의 전기장 분포는 포토닉 결정안의 이굴절률 영역 중 활성층에 가장 가까운 저면 부근의 형상에 강하게 영향을 받는다. 이굴절률 영역이 모재 표면에 대하여 기울기 를 갖는 경우, 활성층측의 저면 형상의 무게 중심은 상기 정재파의 마디의 위치로부터 어긋난다. 이 때문에 상기 저면내에서 비대칭의 전기장 분포가 형성되어 Q_⊥치가 저하한다. 상기 마디의 위치는 2차원 포토닉 결정의 구조가 동일해도, 밴드 단 A 모드의 경우와 밴드 단 B 모드의 경우에 있어서 약간 다르다. 즉, 밴드 단 B 모드의 경우가 밴드 단 A 모드의 경우보다도, 마디의 위치가 이굴절률 영역의 저면의 무게 중심으로부터 보다 크게 어긋나기 때문에, 전기장 분포가 보다 강하게 비대칭화되고, Q_⊥B치를 밴드 단 A에 대한 Q_⊥치인 Q_⊥A치보다도 작게 할 수 있다. 이것에 의해, 밴드 단 B에 의한 Γ점 이외에서의 레이저 발진의 영향을 억제하고, 밴드 단 A에 의한 안정된 레이저 발진을 얻을 수 있다.

그리고, 후술하는 예와 같이 빈 구멍의 형상을 적절히 정하는 것에 의해, Q_⊥B치를 Q_⊥A치보다도 작게 할 수 있다. 이것에 의해, 밴드 단 B의 영향을 거의 배제할 수 있다.

Q_⊥치 및 면수직 방향으로의 광취출 효율은 이굴절률 영역의 기둥의 주축과 모재 표면이 이루는 각도 및 그 기둥의 단면 형상에 의해 변화한다.

일례로서 이굴절률 영역이 경사원주(傾斜圓柱) 형상인 경우에 대해 설명한다. 경사원주란 단면이 원형이고, 주축이 모재 표면에 대해 경사하고 있는 기둥을 말한다. 이와 같은 경사원주 형상의 이굴절률 영역으로 구성된 2차원 포토닉 결정을 갖는 레이저 광원에서는 Q_⊥A치는 주축과 모재 표면의 수직선과의 각도 θ를 20 °~ 45°로 하는 것에 의해, 수천 ~ 1만 정도로 억제할 수 있다. 또, 이 각도 범위에 있어서, Q_⊥B치는 Q_⊥A치보다도 더욱 낮게 된다. 이와 같이 Q_⊥A치가 적당히 작고, Q_⊥B치가 Q_⊥A치보다도 더욱 작게 되는 것에 의해, 밴드 단 B의 영향을 거의 배제할 수 있고, 레이저 광을 안정적으로 발진시킬 수 있다.

경사원주 이외의, 본 발명에 있어서 이굴절률 영역의 형상 예로서 경사 정삼각주를 들 수 있다. 경사 정삼각주란 단면 형상이 정삼각형이고, 주축이 모재 표면에 대해 경사하고 있는 기둥을 말한다. 그 주축의 경사 방향에 의해 경사 정삼각주 전체의 입체 형상은 다르고, Q_⊥A치와 Q_⊥B치의 관계는 다른 것으로 된다. 예를 들어, 활성층의 반대측 면으로부터 활성층측으로 향함에 따라, 면내 형상인 정삼각형의 꼭대기점의 하나가 (i) 그 꼭대기점과 대향하는 저변측으로 이동하는가, (ii) 그 저변의 반대측으로 이동하는가에 의해, 비록 주축의 경사각도 θ가 동일해도 양자의 관계는 다르다. 즉, 넓은 각도(θ) 범위에 걸쳐서, (ii)의 경우에는 Q_⊥B치가 (i)의 경우보다도 커지는 경향이 있고 Q_⊥B치가 Q_⊥A치보다 큰데 반해, (i)의 경우에는 경사원주 형상의 경우에 가까운 경향, 즉 Q_⊥A치는 수천 정도, Q_⊥B치는 그것보다 더욱 낮게 된다. 따라서, 본 발명에 있어서는 (ii)보다도 (i)의 쪽이 바람직하다.

또한, 제1 형태의 레이저 광원에서는 제작시의 열처리에 의해, 예를 들어 경사 정삼각주의 모서리가 변형하여 둥글어지는 등의 변형이 다소 발생해도, 모재의 표면에 대하여 수직인 축의 주위의 회전 대칭성을 갖지 않는다고 하는 이굴절률 영 역 형상의 특징을 유지할 수 있다. 그 때문에, 그와 같은 변형이 발생해도 광취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

(2) 제2 형태의 레이저 광원

제2 형태의 레이저 광원에서는 2차원 포토닉 결정의 모재내에 이굴절률 영역 집합체가 다수, 주기적으로 배치되어 있다. 이굴절률 영역 집합체란 복수의 단위 이굴절률 영역으로 구성되는 것이고, 이 이굴절률 영역 집합체가 주기적 굴절률 분포를 형성한다. 즉, 제2 형태의 레이저 광원에 있어서 2차원 포토닉 결정의 주기 굴절률 분포는 예를 들어 정방 격자나 3각 격자의 각 격자점상에 이굴절률 영역 집합체가 배치되는 것에 의해 형성된다.

각 이굴절률 영역 집합체가 갖는 복수의 단위 이굴절률 영역 중 적어도 2개는 서로 두께가 다르다. 이 조건을 만족하면, 이굴절률 영역 집합체안의 모든 단위 이굴절률 영역을 다른 두께로 해도 되고, 일부의 단위 이굴절률 영역끼리를 동일한 두께로 해도 된다. 이와 같이 각 단위 이굴절률 영역의 두께를 설정하는 것에 의해, 모재에 평행한 단면내에서의 이굴절률 영역 집합체의 형상을 그 단면의 위치에 의해 다른 것으로 할 수 있다. 이것에 의해, 모재에 평행한 면내에서의 대칭성을 낮게 할 수 있고, 간섭에 기인한 반대칭 모드의 상쇄에 의한 레이저광의 취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 제작시의 열처리에 의해 이굴절률 영역 집합체내의 각 단위 이굴절률 영역의 형상이 다소 변형해도, 각 단위 이굴절률 영역의 두께가 동일하게 되는 일은 없다. 그 때문에, 이굴절률 영역 집합체 형상의 특징을 유지할 수 있고, 그와 같은 변형에 의한 광취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

이굴절률 영역 집합체내의 각 단위 이굴절률 영역의 평면 형상은 모두 동일해도 되지만, 면내에서의 대칭성을 보다 낮게 하기 위해, 단위 이굴절률 영역마다 각각 다른 것으로 하는 것이 바람직하다.

이굴절률 영역 집합체내의 각 단위 이굴절률 영역은 두께가 두꺼울수록 평면 형상의 면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 이하에 그 이유를 설명한다.

2차원 포토닉 결정을 제조할 때에는 많은 경우, 드라이 에칭법을 이용하여 모재내에 빈 구멍을 형성한다. 형성하려고 하는 빈 구멍의 평면 형상의 면적이 작을 수록, 빈 구멍의 형성시에 에칭 가스가 빈 구멍내에 침입하기 어려워지며, 에칭 속도가 늦어진다. 그 결과, 이굴절률 영역 집합체내의 각 빈 구멍(단위 이굴절률 영역)은 면적이 클수록 두께가 두꺼워진다. 즉, 각 단위 이굴절률 영역의 면적을 다른 것으로 하는 것만으로, 통상의 드라이 에칭법을 이용하는 것에 의해, 특별한 기술을 필요로 하는 일 없이, 본 발명에 관한 이굴절률 영역 집합체를 용이하게 제작할 수 있다.

단, 모든 빈 구멍이 모재를 관통해 버리면 모든 단위 이굴절률 영역의 두께가 동일하게 되어 버리기 때문에, 드라이 에칭은 모재에 형성되는 빈 구멍이 모두 모재를 관통하기 전에 종료시켜야 한다.

본 발명에 있어서 이굴절률 영역 집합체의 하나로서, 평면 형상이 거의 장방형의 제1 이굴절률 영역과 그 장변보다도 짧은 지름을 갖는 거의 원형의, 제1 이굴절률 영역보다도 면적이 작고 두께가 얇은 제2 이굴절률 영역으로 이루어지는 것을 이용할 수 있다. 제조상의 이유 등에 의해 제1 이굴절률 영역 및 제2 이굴절률 영역의 평면 형상이 다소 비뚤어지거나 제1 이굴절률 영역의 장방형의 모서리가 변형하여 둥글어지는 것은 대칭성을 무너뜨린다고 하는 특징이 손상되지 않는 한 무방하다. 또, 제1 이굴절률 영역의 면적보다도 제2 이굴절률 영역의 면적을 작게 하는 것에 의해, 2차원 포토닉 결정을 상술한 바와 같이 드라이 에칭법을 이용하여 제작하면 자연히, 제2 이굴절률 영역의 두께는 제1 이굴절률 영역의 두께보다도 작게 된다.

이와 같은 제1 이굴절률 영역 및 제2 이굴절률 영역을 갖는 이굴절률 영역 집합체는 전체적으로, 삼각형에 가까운 평면 형상을 갖는다. 즉, 제1 이굴절률 영역이 삼각형의 한 변을 구성하고, 제2 이굴절률 영역이 그 변에 대향하는 한 꼭대기점을 구성한다. 이는 특허 문헌 2에 기재된 면발광 레이저로 이용되는 2차원 포토닉 결정이 갖는 이굴절률 영역의 평면 형상과 동등하다. 또한, 본 발명에서는 제1 이굴절률 영역과 제2 이굴절률 영역의 두께를 다른 것으로 하기 위해, 특허 문헌 2에 기재된 면발광 레이저의 경우보다도 더욱 이굴절률 영역(집합체)의 대칭성을 낮게 하고, 간섭에 기인한 반대칭 모드의 상쇄에 의한 레이저 광취출 효율의 저하를 더욱 억제할 수 있다.

또, 이들 제1 이굴절률 영역 및 제2 이굴절률 영역으로 이루어지는 이굴절률 영역 집합체에서는 제조시에 가하게 되는 열의 영향 등에 의한 변형이 다소 발생해도, 상술한 각 이굴절률 영역의 두께에 더하여, 제1 이굴절률 영역의 장변이 삼각형의 한 변이고 제2 이굴절률 영역이 그 변에 대향하는 한 꼭대기점이라고 하는 평 면 형상의 특징도 유지할 수 있다. 그 때문에, 이굴절률 영역의 변형에 의한 광취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

[실시예]

(1) 제1 실시예(제1 형태의 면발광 레이저의 일 실시예)

본 발명에 관한 레이저 광원의 제1의 실시예로서 제1 형태의 면발광 레이저의 일 실시예를, 도 3 ~ 도 5를 이용하여 설명한다.

본 실시예의 레이저 광원에서는 도 3에 나타내는 바와 같이, 양전극(21)과 음전극(22)의 사이에, 인듐ㆍ갈륨비소((InGaAs)／갈륨비소(GaAs)로 이루어지고, 다중 양자 우물(Multiple-Quantum Well; MQW)을 갖는 활성층(23)을 마련한다. 활성층(23)상에, p형 GaAs로 이루어지는 스페이서층(261)을 통하여, 동일한 p형 GaAs로 이루어지는 2차원 포토닉 결정층(24)을 마련한다. 2차원 포토닉 결정층(24)은 판재(板材)에 빈 구멍(25)을 정방 격자 형상으로 주기적으로 배치한 것이다. 빈 구멍(25)의 형상에 대해서는 후술한다. 또한, 이 도면의 예에서, 스페이서층(261)과 2차원 포토닉 결정층(24)은 한 장인 일체의 층으로서 형성되고, 상측에 있는 2차원 포토닉 결정층(24)의 쪽에만 빈 구멍(25)이 형성되어 있다. 활성층(23)과 양전극(21)의 사이에, p형 GaAs로 이루어지는 스페이서층(262), p형 AlGaAs로 이루어지는 클래드층(271) 및 p형 GaAs로 이루어지는 컨택트층(28)을 마련한다. 또, 활성층(23)과 음전극(22)의 사이에, n형 GaAs로 이루어지는 스페이서층(263) 및 n형 AlGaAs로 이루어지는 클래드층(272)을 마련한다. 또한, 도 3에서는 2차원 포토닉 결정층(24)의 구조를 나타내기 위해, 스페이서층(262)과 2차원 포토닉 결정층(24) 의 사이를 비워서 그렸다.

여기서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 빈 구멍(25)이 형성하는 정방 격자의 한 방향을 x축, 또다른 한 방향을 y축, 2차원 포토닉 결정층(24)에 수직 방향을 z축으로 하는 좌표계를 정의한다. 본 실시예에 있어서, 주축은 x축 방향으로 기울고 있다. 또, 활성층(23)으로부터 2차원 포토닉 결정층(24)으로 향하는 방향을 z축의 정 방향으로 한다.

도 4에, 1개 빈 구멍(25)의 형상을 사시도, 단면도 및 투영도로 나타낸다. (a)는 사시도, (b)는 x-z 면으로의 투영도, (c)는 y-z 면으로의 투영도, (d)는 2차원 포토닉 결정층(24)의 스페이서층(262)측 표면에서의 단면도(평면도)이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 실제로는 2차원 포토닉 결정층(24)에 동일 형상의 빈 구멍(25)이 다수, 정방 격자 형상으로 형성되어 있다. 또한, (a)에서는 빈 구멍(25)의 형상을 나타내기 위해, 2차원 포토닉 결정층(24) 및 스페이서층(262)를 투과시켜서 나타내었다.

도 4(d)의 평면도에 나타내는 바와 같이, x-y 면에서 빈 구멍(25)의 평면 형상은 원이고, 이 평면 형상은 z의 값에 관계없이, 상기 표면에 평행한 임의의 단면에 있어서 동일하다. 빈 구멍(25)은 주축이 x축 방향에 기울고 있으므로, 단면이 z의 정 방향으로 이동함에 따라 이 원이 x의 정 방향으로 이동하는 형상을 갖는다. 즉, 도 4(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 주축(31)은 상측(z축의 정 방향)이 x의 정 방향으로 경사하고 있다. 또한, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 주축(31)은 y 방향에는 경사하고 있지 않다.

본 실시예의 레이저 광원의 동작은 기본적으로는 종래의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원과 동양이다. 양전극(21)과 음전극(22)의 사이에 전압을 인가하면, 양전극(21)측으로부터 정공(正孔)이, 음전극(22)측으로부터 전자가, 각각 활성층(23)에 주입되어 정공과 전자의 재결합에 의해 발광한다. 이 광이 2차원 포토닉 결정층(24)에 의해 피드백을 받아 레이저 발진한다. 이 레이저 광은 컨택트층(28)(출사면)에서 외부로 취출된다.

도 5에, 본 실시예의 레이저 광원에 대해서 θ=10°, 20°, 30°, 45°인 경우의 Q_⊥A치 및 Q_⊥B치를 계산한 결과를 나타낸다. 여기서는 2차원 포토닉 결정층(24)이 x-y 면내에 무한으로 펼쳐지는 무한 주기 구조를 갖고, 2차원 포토닉 결정층(24)중의 빈 구멍(25)이 차지하는 체적의 비율(필링 팩터(filling factor))이 18% 인 경우에 대해, 3차원 FDTD법을 이용하여 계산을 행하였다. 또한, 도 5에는 나타나지 않으나, θ=0°의 경우에는 Q_⊥A치, Q_⊥B치 모두 무한대로 된다.

계산의 결과, Q_⊥A치는 θ=20°~ 45°의 범위내에서는 레이저 발진에 매우 적합한 값인 수천 ~ 1만으로 된다는 것을 알 수 있었다. Q_⊥B치는 계산한 범위내에서 모두 Q_⊥A치보다도 작게(θ=20°에서는 약 6할로, θ=45°에서는 약 2할로) 되었다. 이들 계산 결과로부터, 본 실시예의 레이저 광원에서는 적어도 θ가 20°~ 45°의 범위내에 있는 경우에는 밴드 단 A에 의한 레이저 발진을 얻을 수 있음이 명백해 졌다.

(2) 제2 실시예 및 제3 실시예(제1 형태의 면발광 레이저에 관한 다른 실시예)

다음에, 본 발명의 레이저 광원의 제2 및 제3 실시예를, 도 6 및 도 7을 이용하여 설명한다. 이들의 실시예의 레이저 광원은 빈 구멍의 형상을 제외하고, 도 3에 나타낸 제1 실시예의 레이저 광원과 동양인 구조를 갖는다.

도 6에 제2 실시예의 빈 구멍(45)의 형상을, 도 7에 제3 실시예의 빈 구멍(55)의 형상을 각각 나타낸다. 도 6, 도 7 모두, (a)는 사시도, (b)는 x-z 면으로의 투영도, (c)는 y-z 면으로의 투영도, (d)는 2차원 포토닉 결정층(24)의 스페이서층(262)측 표면에서의 단면도(평면도)이다. 또한, 도 6, 도 7에서는 빈 구멍(45, 55)을 1개만 나타내었으나, 도 3과 동양으로, 실제로는 2차원 포토닉 결정층(24)에는 동일한 형상의 빈 구멍이 다수, 정방 격자 형상으로 형성되어 있다.

제2 실시예, 제3 실시예 모두에 있어서도, 도 6(d), 도 7(d)의 평면도에 나타내는 바와 같이, x-y 면에서 빈 구멍의 평면 형상은 정삼각형이고, 3개의 꼭대기점 중 하나가 x축의 정 방향을 향하고 있다. 이 평면 형상은 z의 값에 관계없이, 상기 표면에 평행한 임의의 단면에 있어서 동일하다.

제2 실시예와 제3 실시예는 다음의 점에서 다르다. 제2 실시예의 빈 구멍(45)은 활성층(23)의 반대측으로부터 활성층(23)측으로(z의 부 방향으로) 이동함에 따라, 상기 한 꼭대기점이 정삼각형의 저변측으로 이동하는 형상을 갖는다. 바꾸어 말하면, x-y 평면에 평행한 단면이 z의 정 방향으로 이동함에 따라 정삼각형이 x의 정 방향으로 이동한다. 따라서, (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 빈 구 멍(45)은 상측이 x의 정 방향으로 경사한 형상을 갖는다. 이에 대하여, 제3 실시예의 빈 구멍(55)은 활성층(23)의 반대측으로부터 활성층(23)측으로 이동함에 따라, 상기 한 꼭대기점이 정삼각형의 저변으로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 것과 같은 형상을 갖는다. 바꾸어 말하면, x-y 평면에 평행한 단면이 z의 정 방향으로 이동함에 따라 정삼각형이 x의 부의 방향으로 이동한다. 따라서, (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 빈 구멍(55)은 상측이 x의 부의 방향으로 경사한 형상을 갖는다.

제2 실시예와 제3 실시예의 레이저 광원에 대해, 경사각도 θ가 30°, 필링 팩터가 16%인 경우의 Q_⊥A치 및 Q_⊥B치를 3차원 FDTD법에 의해 계산하였다. 그 결과, 제2 실시예에서는 Q_⊥A=4095, Q_⊥B=2581 로 되고, 제3 실시예에서는 Q_⊥A=5849, Q_⊥B=26200 으로 되었다. 이와 같이, 제2 실시예 및 제3 실시예는 모두, Q_⊥A치가 레이저 발진에 적절한 수천의 값을 갖는 것을 알 수 있었다. 한편, Q_⊥B치는 제2 실시예에서는 Q_⊥A치보다도 낮게 억제할 수 있는데 반해, 제3 실시예에서는 Q_⊥A치보다도 높아지기(단, 특허 문헌 2의 경우보다는 1 ~ 2 자리수 작게 할 수 있음) 때문에, 밴드 단 A에서 선택적으로 레이저 발진시키기 위해서는 제3 실시예의 구성보다 제2 실시예의 구성이 바람직하다고 할 수 있다.

(3) 제1 실시예 ~ 제3 실시예의 비교

다음에, 도 8 ~ 도 12를 이용하여, 제1 실시예(θ=30°) ~ 제3 실시예의 레이저 광원에 대하여 2차원 포토닉 결정 및 활성층의 내부에 있어서 전기장 분포의 계산 결과를 설명하고, 그 결과와 이들 실시예에 있어서 Q_⊥A치 및 Q_⊥B치의 관계에 대해서 기술한다. 또한, 비교예로서 도 8(a)에 나타내는 바와 같이 주축이 z축에 평행이고 모재의 표면에 대하여 경사하고 있지 않는 삼각주 형상의 빈 구멍(65)을 정방 격자 형상으로 배치한 2차원 포토닉 결정을 갖는 레이저 광원(비교예 1)에 대해서도, 동양의 계산을 행하였다. 또, 전기장 분포의 계산은 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 빈 구멍(65)의 활성층(23)측의 저면을 포함하는 면(61)과 활성층(23)내의, 이 층에 평행한 면(62)에 있어서 행하였다.

도 9에 제1 실시예, 도 10에 제2 실시예, 도 11에 제3 실시예, 도 12에 비교예 1에 있어서 전기장 분포의 계산 결과를 각각 나타낸다. 각 도는 모두, (a)는 면(61)에 있어서 밴드 단 A의 전기장, (b)는 면(61)에 있어서 밴드 단 B의 전기장, (c)는 면(62)에 있어서 밴드 단 A의 전기장, (d)는 면(62)에 있어서 밴드 단 B의 전기장을 각각 나타낸다. 각 도면 중의 화살표의 길이 및 방향은 x-y 면내에서 전기장의 크기 및 방향을 나타낸다.

이들의 도면에 있어서, 전기장 벡터의 y 방향의 성분 Ey에 주목한다. 먼저, 도 9 ~ 도 12의 (a), (b)에 주목하고, 빈 구멍 중 x 방향의 부측의 단부 부근에 있는 영역(661)과 x 방향의 정측의 단부 부근에 있는 영역(662)을 비교한다. 제3 실시예 및 비교예 1의 밴드 단 B에 있어서, Ey는 영역(661)과 영역(662)의 사이에서 거의 반대칭으로 되어 있고, 이 경우에는 Q치가 10000을 넘는 값을 갖는다. 이에 대하여, 모든 예의 밴드 단 A 및 제1 및 제2 실시예의 밴드 단 B에서는 이와 같은 대칭성은 볼 수 없고, 이 경우에 Q치는 수천의 값을 갖는다. 즉, 전기장의 대칭성 저하와 Q치의 저하에는 상관이 있다.

다음에, 도 9 ~ 도 12의 (c), (d)에 있어서, 제1 ~ 제3 실시예 및 비교예 1 모두에 있어서도, 밴드 단 A, B 모두 y 방향으로 뻗는 마디(67)에 있어서 Ey가 0 으로 된다. 이 마디(67)의 위치가 면(61)에 있어서 빈 구멍의 단면의 무게 중심으로부터 멀어질수록, Q치가 작아지는 경향을 볼 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예에서는 밴드 단 A의 경우보다 밴드 단 B의 경우가, 마디(67)가 빈 구멍(25)의 면(61)에 있어서 무게 중심(원의 중심)으로부터 먼 위치에 있고, Q_⊥A치보다도 Q_⊥B치가 작게 되어 있다.

동양으로, 제2 실시예와 제3 실시예의 밴드 단 B에 있어서 전기장 분포를 비교하면, 빈 구멍의 면(61)에 있어서 무게 중심(68)과 마디(67)의 거리는 제2 실시예의 쪽이 제3 실시예보다도 멀고, 제2 실시예의 Q_⊥B치보다도 제3 실시예의 Q_⊥B치가 작게 되어 있다. 이 제2 실시예와 제3 실시예의 차이는 무게 중심(68)과 마디(67)의 거리의 영향에 더하여, 제2 실시예에 있어서는 마디(67)가 빈 구멍의 y 방향의 폭이 좁게 되는 방향(x의 정 방향)으로 치우쳐져 있는 것에 의해, x 방향의 대칭성이 더욱 작아지기 때문에 발생되어 있다고 생각된다. 이 마디(67)는 x-y 면내에 있어서, 빈 구멍 전체의 무게 중심의 x-y 면내에 있어서 위치에 가까운 위치에 형성되기 때문에, 제2 실시예와 제3 실시예에서는 빈 구멍의 주축 방향의 차이에 기인하여 Q_⊥B치의 차이가 발생한다고 할 수 있다.

(4) 제4 실시예(제2 형태의 면발광 레이저)

본 발명의 제4 실시예로서 제2 형태의 면발광 레이저의 일 실시예를, 도 13 ~ 도 19를 이용하여 설명한다. 본 실시예의 레이저 광원의 사시도를 도 13에 나타낸다. 이 레이저 광원은 2차원 포토닉 결정층(74)을 제외하고, 제1 실시예의 레이저 광원과 동양인 구성을 갖는다. 이하, 2차원 포토닉 결정층(74)의 구성을 설명한다.

도 14(a)에 2차원 포토닉 결정층(74)의 상면도를 나타낸다. 2차원 포토닉 결정층(74)은 p형 GaAs로 이루어지고, 두께가 130nm 인 슬래브 형상의 모재에 이굴절률 영역 집합체(75)를 주기 285nm 로 정방 격자 형상으로 배치한 것이다. 도 14(b)에 하나의 이굴절률 영역 집합체(75)의 상면도를, 도 14(c)에 종단면도를 나타낸다. 이굴절률 영역 집합체(75)는 모재를 천공(穿孔)하는 것에 의해 형성한 제1 빈 구멍(751) 및 제2 빈 구멍(752)으로 이루어진다. 제1 빈 구멍(751)의 형상은 장변 167nm, 단변 87nm, 두께 120nm 인 직방체이고, 제2 빈 구멍(752)의 형상은 직경 56nm, 두께 60nm 인 원주이다. 제2 빈 구멍(752)은 제1 빈 구멍의 장변에 인접하여 배치한다. 양자의 중심간 거리는 90nm 이다. 2차원 포토닉 결정층(74) 중에서 제1 빈 구멍(751) 및 제2 빈 구멍(752)이 차지하는 비율(필링 팩터)은 0.18 이다.

도 15를 이용하여, 본 실시예의 레이저 광원의 제조 방법을 설명한다.

먼저, 통상의 MOCVD법 등을 이용하여 클래드층(272), 스페이서층(263), 활성층(23), 및 p형 GaAs로 이루어지는 모재(81)의 순으로 적층한 제1 적층체(82)를 형성한다(a). 다음에, 모재(81)상에 레지스트(83)를 형성하고, 전자빔 노광법이나 나 노인 프린트법 등에 의해, 제1 빈 구멍(751) 및 제2 빈 구멍(752)을 마련하는 위치에 대응하여, 레지스트(83)에 평면 형상이 장변 167nm × 단변 87nm 의 장방형인 구멍(841)과 직경 56nm 의 원형인 구멍(842)을 형성한다(b). 그 후, 레지스트(83)상에 염소를 함유하는 에칭 가스를 도입한다(c). 에칭 가스는 장방형 구멍(841) 및 원형 구멍(842)으로부터 각각 모재(81)를 드라이 에칭한다. 이 드라이 에칭법을 소정 시간만 행하는 것에 의해, 모재(81)에는 장방형 구멍(841)의 아래에 소정의 두께만 형성된 제1 빈 구멍(751)과, 원형 구멍(842) 아래에 제1 빈 구멍(751)보다도 두께가 얇은 제2 빈 구멍(752)이 천공되고, 2차원 포토닉 결정층(74)이 제작된다(d). 제1 빈 구멍(751)과 제2 빈 구멍(752)이 다른 두께로 형성되는 이유는 후술한다. 상기 소정 시간은 예비 실험에 의해 구해 둔다. 드라이 에칭의 종료 후, 레지스트(83)를 제거한다.

제1 적층체(82)와는 별도로, 통상의 MOCVD 등을 이용하여 스페이서층(262), 클래드층(271) 및 컨택트층(28)의 순으로 적층한 제2 적층체(85)를 제작한다. 2차원 포토닉 결정층(74)과 스페이서층(262)을 중첩하고, 200 ~ 700℃ 로 가열하는 것에 의해 양자를 융착한다(e). 마지막으로, 컨택트층(28)의 표면에 양전극(21)을, 클래드층(272)의 표면에 음전극(22)을, 각각 증착하는 것에 의해, 본 실시예의 레이저 광원이 완성된다(f).

도 15(d)의 공정에 의해, 두께가 다른 제1 빈 구멍(751) 및 제2 빈 구멍(752)이 형성되는 이유를 설명한다. 원형 구멍(842)의 면적이 장방형 구멍(841)의 면적보다 충분히 작기(약 1/5) 때문에, 원형 구멍(842)에는 장방형 구멍(841)보 다도 에칭 가스가 침입하기 어렵다. 이것에 의해, 원형 구멍(842)으로부터 진행하는 에칭의 속도는 장방형 구멍(841)으로부터 진행하는 에칭의 속도보다도 늦어진다. 그 때문에, 이 드라이 에칭의 종료 시점에서 에칭의 깊이는 제2 빈 구멍(752)보다도 제1 빈 구멍(751)이 깊게 되기 때문에, 상술한 제1 빈 구멍(751)과 제2 빈 구멍(752)의 두께차가 생긴다.

도 16에, 본 실시예의 제조 방법의 마지막 공정(도 15(d))의 종료 후에 있어서 2차원 포토닉 결정층(74)의 현미경 사진을 상면도(a) 및 종단면도(b)로 나타낸다. 도 16(a)으로부터, 평면 형상이 장방형인 제1 빈 구멍(751) 및 원형인 제2 빈 구멍(752)이 형성되어 있다는 것을 알 수 있다. 또, 도 16(b)로부터, 제2 빈 구멍(752)보다도 제1 빈 구멍(751)이 두껍다는 것을 알 수 있다.

본 실시예의 레이저 광원에 대해, 전극으로부터 주입한 전류와 발광 강도의 관계를 측정하였다. 아울러, 모재에 직경 110nm, 높이 100nm 의 원주 형상인 빈 구멍을 주기 285nm로 정방 격자 형상으로 배치한 2차원 포토닉 결정층을 갖고, 그 이외는 본 실시예와 동양인 구조를 갖는 레이저 광원(비교예 2)에 대해서도 동양인 측정을 행하였다. 본 실시예의 측정 결과를 도 17(a)에, 비교예 2의 측정 결과를 도 17(b)에 각각 나타낸다. 비교예 2보다도 본 실시예가 슬로프 효율이 높고, 강한 발광 강도가 얻어진다.

본 실시예의 레이저 광원에 대해, 2차원 포토닉 결정층(74)내에 있어서 전자계 분포를 계산하였다. 이 계산에서는 정방 격자 형상의 굴절률 분포를 갖는 2차원 포토닉 결정에 있어서, 4개의 밴드 중 Γ점(k=0) 부근에 있어서 가장 에너지가 낮 은 밴드 단 A에 관하여 계산을 행하였다. 계산 결과를 도 18에 나타낸다. 도면 중의 화살표의 방향은 전계의 방향을, 화살표의 길이는 전계의 강도를, 농담(濃淡)은 자장의 강도를 각각 나타낸다. 또한, 여기서는 제1 빈 구멍(751)과 제2 빈 구멍(752)의 사이의 거리가 114nm인 경우 (a)와 85.5nm인 경우 (b)에 대해 계산 결과를 나타내었다. 이 전자계 분포로부터 Q치를 구하면, (a)에서는 3396, (b)에서는 2378로 되었다. 어느 것이나, 면수직 방향으로 레이저 광을 취출하는데 적합하다고 여겨지는(예를 들어 특허 문헌 1 참조) 수천 정도의 값으로 되었다.

제1 빈 구멍(751) 및 제2 빈 구멍(752)의 평면 형상은 상술한 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어 도 19에 나타내는 바와 같이, 제1 빈 구멍(751), 제2 빈 구멍(752) 모두, 제2 빈 구멍(752)보다도 제1 빈 구멍(751)이 두껍다(도 15에 나타낸 제조 방법을 이용하는 경우에는 제2 빈 구멍(752)보다도 제1 빈 구멍(751)이 평면 형상이 크다)고 하는 조건을 만족하는 한, 다양한 형상을 취할 수 있다.

본 발명에 의하면, 면수직 방향으로의 광취출 효율이 높고, 또한 열 등에 의한 변형의 영향을 받기 어려운 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims

활성층과, 상기 활성층의 한 쪽측에 마련한 2차원 포토닉 결정을 갖는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원에 있어서,

상기 2차원 포토닉 결정이, 판 형상의 모재(母材)내에 상기 모재와는 굴절률이 다르고, 소정의 단면 형상을 갖는 기둥 형상으로서 상기 기둥의 주축이 모재의 표면에 대해 기울기를 갖는 이굴절률 영역(異屈折率領域)을 다수, 주기적으로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
청구항 1에 있어서,

상기 이굴절률 영역이 경사 원주 형상이고, 상기 경사 원주의 주축의 기울기가 모재의 표면의 수직선에 대하여 20°~ 45°인 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
청구항 1에 있어서,

상기 이굴절률 영역이, 활성층의 반대측 면으로부터 활성층측으로 향함에 따라, 모재 표면에 있어서 단면이 정삼각형의 저변측으로 기울고 있는 경사 정삼각주 형상인 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
활성층과, 상기 활성층의 한 쪽측에 마련한 2차원 포토닉 결정을 갖는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원에 있어서,

상기 2차원 포토닉 결정은, 판 형상의 모재내에 상기 모재와는 굴절율이 다른 복수의 영역으로 이루어지고 상기 영역 중 적어도 2개의 두께가 서로 다른 이굴절률 영역 집합체를 다수, 주기적으로 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
청구항 4에 있어서,

이굴절률 영역 집합체내의 각 이굴절률 영역의 평면 형상이 서로 다른 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
청구항 5에 있어서,

상기 이굴절률 영역 집합체내의 각 이굴절률 영역이, 평면 형상의 면적이 클수록 두께가 두꺼운 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
청구항 6에 있어서,

상기 이굴절률 영역 집합체가, 거의 장방형의 평면 형상을 갖는 제1 이굴절률 영역과, 상기 제1 이굴절률 영역의 장변에 인접하여 마련된, 상기 장변의 길이보다도 짧은 지름을 갖는 거의 원형의 평면 형상을 갖고 제1 이굴절률 영역보다도 면적이 작고 두께가 얇은 제2 이굴절률 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
청구항 4 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이굴절률 영역 집합체내의 각 영역이 빈 구멍(空孔)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원.
활성층과, 상기 활성층의 한 쪽측에 마련한 2차원 포토닉 결정을 갖는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원의 제조 방법에 있어서,

판 형상의 모재상에 면적이 다른 2개 이상의 구멍으로 이루어지는 구멍 집합체를 다수, 주기적으로 배치한 마스크를 형성하고,

상기 마스크의 위로부터 상기 모재를 드라이 에칭하고, 모재에 형성되는 빈 구멍이 모두 모재를 관통하기 전에 상기 드라이 에칭을 종료하는 것에 의해, 상기 2차원 포토닉 결정을 형성하는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원의 제조 방법.