WO2021200168A1 - ２次元フォトニック結晶レーザ - Google Patents

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photonic crystal
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dimensional photonic
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野田　進
ゾイサ メーナカ デ
賢司 石崎
渡 國師
健太郎 榎
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国立大学法人京都大学
三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional photonic crystal laser that amplifies light using a two-dimensional photonic crystal.
  • the two-dimensional photonic crystal laser includes an active layer and a two-dimensional photonic crystal layer.
  • the active layer causes light emission in a specific emission wavelength band by injecting carriers (holes, electrons).
  • the two-dimensional photonic crystal layer has a structure in which different refractive index regions having different refractive indexes are periodically arranged two-dimensionally on a plate-shaped base material.
  • the different refractive index region is composed of pores (air) formed in the base material or a member different from the material of the base material.
  • the two-dimensional photonic crystal laser of the light generated in the active layer, only the light having a predetermined wavelength corresponding to the periodic length of the arrangement of the different refractive index region is amplified and laser oscillated, and the laser is oscillated in the direction perpendicular to the photonic crystal layer. Emit as a beam.
  • a two-dimensional photonic crystal laser generally includes a layer having various functions in addition to the above-mentioned active layer and two-dimensional photonic crystal layer.
  • a first clad layer, an active layer, a carrier block layer, a two-dimensional photonic crystal layer, a second clad layer, and a contact layer are laminated in this order on a substrate.
  • an n-type semiconductor which is cheaper than a p-type semiconductor, is used.
  • An n-type semiconductor having the same polarity as the substrate is used for the first clad layer, and a p-type semiconductor is used for the carrier block layer, the base material of the two-dimensional photonic crystal layer, and the second clad layer and the contact layer.
  • a two-dimensional photonic crystal laser holes are emitted from the upper electrode through the contact layer, the second clad layer and the base material of the two-dimensional photonic crystal layer, and electrons are emitted from the lower electrode through the substrate and the first clad layer. Each is injected into the active layer.
  • the first clad layer and the second clad layer are provided in order to increase the efficiency of light emission in the active layer and the efficiency of light amplification in the photonic crystal layer by facilitating the confinement of light between them. ..
  • the carrier block layer is provided to prevent electrons from entering the photonic crystal layer.
  • the contact layer is provided to facilitate hole injection from the upper electrode.
  • a p-type semiconductor is used as the base material of the two-dimensional photonic crystal layer.
  • holes have a lower mobility than electrons, so that the density of carriers (electrons) in the substrate made of an n-type semiconductor or the first and second clad layers made of an n-type semiconductor is higher than that of carriers in a two-dimensional photonic crystal layer (carriers in a two-dimensional photonic crystal layer).
  • a p-type semiconductor in which the band gap and the concentration of impurities are set so that the density of holes) is high is used as the base material of the two-dimensional photonic crystal layer.
  • Patent Document 2 a two-dimensional photonic crystal laser having the same structure as Patent Document 1 using a p-type semiconductor for the substrate and the first clad layer is used, and n for the second clad layer and the contact layer. It is stated that those made of type semiconductors may be used.
  • an n-type semiconductor is used as the base material of the two-dimensional photonic crystal layer, the carrier (electron) density can be lowered as compared with the case where the p-type semiconductor is used. Therefore, the absorption of light can be suppressed.
  • the substrate needs to be thicker than the other layers, the material cost of the two-dimensional photonic crystal laser increases when the p-type semiconductor, which is more expensive than the n-type semiconductor, is used for the substrate.
  • Patent Document 3 includes a clad layer made of an n-type semiconductor, a two-dimensional photonic crystal layer having a base material made of an n-type semiconductor, an active layer, and a p-type semiconductor on a substrate made of an n-type semiconductor.
  • a photonic crystal laser having a structure in which a carrier block layer, a clad layer made of a p-type semiconductor, and a contact layer made of a p-type semiconductor are laminated in this order is described. Even in this configuration, since the base material of the two-dimensional photonic crystal layer is an n-type semiconductor, it is possible to suppress the absorption of light by the free carrier as compared with the case where the p-type semiconductor is used.
  • the different refractive index region of the two-dimensional photonic crystal layer is composed of pores, irregularities are formed on the surface opposite to the substrate. Even when the different refractive index region is made of a member whose material is different from that of the base material, it is difficult to prepare the different refractive index region without forming irregularities on the surface of the two-dimensional photonic crystal layer. Even if another layer is formed on such an uneven surface, the unevenness remains on the upper surface of the layer. In the semiconductor light emitting device of Patent Document 3, an active layer must be formed on such an uneven surface, but the active layer generally has a plurality of semiconductor layers thinner than other layers in a two-dimensional photonic crystal laser. Since it is produced by laminating, it is difficult to form an active layer having desired characteristics on such an uneven surface.
  • the problem to be solved by the present invention is a two-dimensional photonic that can suppress a decrease in laser oscillation efficiency in a two-dimensional photonic crystal layer and can be easily produced without increasing the material cost. It is to provide a crystal laser.
  • the two-dimensional photonic crystal laser according to the present invention made to solve the above problems is a) A substrate made of n-type semiconductor and b) A p-type semiconductor layer made of a p-type semiconductor provided on the upper side of the substrate and c) The active layer provided above the p-type semiconductor layer and d) A two-dimensional structure in which a different refractive index region made of a material having a refractive index different from that of the base material is periodically arranged in a plate-shaped base material made of an n-type semiconductor provided above the active layer.
  • a second tunnel layer made of a p-type semiconductor having a carrier density higher than that of the p-type semiconductor layer, which is provided between the first tunnel layer and the p-type semiconductor layer in contact with the first tunnel layer.
  • the roles of the first tunnel layer and the second tunnel layer will be described.
  • an n-type semiconductor layer made of an n-type semiconductor and a p-type semiconductor layer made of a p-type semiconductor are in contact with each other, holes pass through when a voltage positive on the p-type semiconductor layer side is applied. On the other hand, it cannot pass when a voltage positive on the n-type semiconductor layer side is applied.
  • the first tunnel layer between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer which has a higher carrier (electron) density than the n-type semiconductor layer near the n-type semiconductor layer, is placed closer to the p-type semiconductor layer.
  • the second tunnel layer having a higher carrier (hole) density than the type semiconductor layer, even when a voltage positive on the n-type semiconductor layer side is applied, holes are n-type due to the tunnel effect. It can be passed from the semiconductor layer to the p-type semiconductor layer.
  • These carrier (electron, hole) densities can be set by reducing the bandgap of the p-type or n-type semiconductor, increasing the impurity concentration, and the like.
  • the operation of the two-dimensional photonic crystal laser according to the present invention will be described.
  • holes are injected from the first electrode and electrons are injected from the second electrode by applying a voltage that is positive on the first electrode side and negative on the second electrode side between the two electrodes. Will be done.
  • the first tunnel layer has a higher carrier density than the substrate (corresponding to the n-type semiconductor layer) and the second tunnel layer has a higher carrier density than the p-type semiconductor layer
  • the holes injected from the first electrode As described above, from the substrate, it passes through the first tunnel layer and the second tunnel layer by the tunnel effect, reaches the p-type semiconductor layer, and is injected into the active layer.
  • the electrons injected from the second electrode pass through the two-dimensional photonic crystal and are injected into the active layer.
  • holes and electrons are injected into the active layer in this way, light is emitted in the active layer, and the light is amplified in the two-dimensional photonic crystal layer to cause laser oscillation.
  • the two-dimensional photonic crystal laser since an n-type semiconductor is used as the base material of the two-dimensional photonic crystal layer, a current having the same magnitude is passed as compared with the case where a p-type semiconductor is used as the base material.
  • the carrier density can be lowered. Therefore, in the two-dimensional photonic crystal layer, it is possible to suppress a decrease in laser oscillation efficiency due to absorption of a part of light by free carriers.
  • the two-dimensional photonic crystal laser according to the present invention since an n-type semiconductor, which is cheaper than a p-type semiconductor, is used for the substrate, it is possible to prevent the material cost from increasing.
  • the two-dimensional photonic crystal layer is provided on the opposite side of the substrate when viewed from the active layer, the influence of the unevenness on the surface of the two-dimensional photonic crystal layer Since the active layer can be formed without being affected, an active layer having the desired characteristics can be easily prepared.
  • Another layer made of an n-type semiconductor may be provided between the substrate and the first tunnel layer, between the active layer and the photonic crystal layer, and / or between the photonic crystal layer and the second electrode.
  • a carrier block layer made of an n-type semiconductor may be provided between the active layer and the two-dimensional photonic crystal layer.
  • a clad layer made of an n-type semiconductor or a contact layer made of an n-type semiconductor may be provided between the two-dimensional photonic crystal layer and the second electrode.
  • the laser beam is emitted from the second electrode side to the outside of the two-dimensional photonic crystal laser.
  • the two-dimensional photonic crystal laser according to the present invention further includes a reflective layer that reflects the laser light generated by the two-dimensional photonic crystal layer between the second tunnel layer and the p-type semiconductor layer. Is desirable. This makes it possible to prevent a part of the laser beam from being absorbed in the first tunnel layer and the second tunnel layer where the carrier density is higher than that of the other layers.
  • a reflective layer for example, a distributed Bragg reflector (DBR) in which a plurality of layers composed of two types of p-type semiconductors having different refractive indexes are alternately laminated can be used.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • a reflective layer may be provided between the two-dimensional photonic crystal layer and the second electrode.
  • another layer made of an n-type semiconductor (the above-mentioned clad layer or contact layer) may be present between the two-dimensional photonic crystal layer and the reflective layer and / or between the reflective layer and the second electrode. ..
  • the laser beam is emitted from the first electrode side to the outside of the two-dimensional photonic crystal laser.
  • the two-dimensional photonic crystal laser In the two-dimensional photonic crystal laser according to the present invention Further, it is provided from the upper surface of the two-dimensional photonic crystal laser, has a bottom surface at a position between the upper surface and the lower surface of the substrate, and has a frame-like shape in a cross section parallel to the two-dimensional photonic crystal layer. With a groove The first electrode is provided on the bottom surface of the groove. Can be taken.
  • the first electrode is more than the case where the first electrode is provided on the lower surface of the substrate.
  • the electrical resistance between the and the active layer is reduced, and the electric charge can be supplied to the active layer more efficiently.
  • the shape of the first electrode is also frame-shaped, and the laser beam oscillated by the laser in the two-dimensional photonic crystal layer is the first. It passes through the frame of the electrode and exits from the surface of the substrate to the outside.
  • the first electrode is provided on the lower surface of the substrate, the second tunnel layer, the first tunnel layer, the p-type semiconductor layer and the like are formed on one of both surfaces of the substrate, and the first electrode is formed on the other surface. While it is necessary to turn the substrate upside down during manufacturing, when the first electrode is provided on the bottom surface of such a groove, the first electrode is manufactured on the same side as the second tunnel layer or the like. It is not necessary to turn the substrate upside down inside, which facilitates manufacturing.
  • n-type GaAs or n-type AlGaAs in which a part of Ga in GaAs or GaAs is replaced with Al is used as the material of the substrate and the base material of the two-dimensional photonic crystal layer, and the p-type semiconductor layer is p-type.
  • GaAs or p-type AlGaAs can be used.
  • InGaAs has a small bandgap among GaAs and AlGaAs, and can increase the carrier density.
  • InGaAs easily absorbs light, when InGaAs is used as a material for the first tunnel layer and the second tunnel layer, a reflective layer is provided between the second tunnel layer and the p-type semiconductor layer as described above. Is desirable.
  • a carrier-doped semiconductor may be used instead of the n-type semiconductor for all or part of the base material.
  • a semiconductor that is not carrier-doped in a part of the base material n-type semiconductor in the remaining part
  • the light absorption loss due to the free carrier is suppressed as compared with the case where the entire base material is composed of the n-type semiconductor.
  • the current is more likely to flow from the second electrode side to the active layer side than in the case where the entire base material is made of a semiconductor that is not carrier-doped.
  • the light absorption loss can be further suppressed.
  • the two-dimensional photonic crystal laser according to the present invention it is possible to suppress a decrease in the efficiency of laser oscillation in the two-dimensional photonic crystal layer, and it is possible to easily produce the laser without increasing the material cost. ..
  • the schematic block diagram which shows 1st Embodiment of the 2D photonic crystal laser which concerns on this invention The perspective view which shows the photonic crystal layer, the 1st electrode and the 2nd electrode which the 2D photonic crystal laser of 1st Embodiment has. The figure which shows typically the carrier injection region in the active layer of the 2D photonic crystal laser of 1st Embodiment.
  • the schematic block diagram which shows the modification (a) of the 2D photonic crystal laser of 1st Embodiment and another modification (b).
  • the two-dimensional photonic crystal laser 10 of the first embodiment has a substrate 11, a first tunnel layer 121, and a first, in order from the lower side of FIG.
  • the two tunnel layer 122, the p-type clad layer (p-type semiconductor layer in the present invention) 131, the active layer 14, the carrier block layer 15, the two-dimensional photonic crystal layer 16, and the n-type clad layer 132 are in contact with each other. It has a structure in which the layer 17 is laminated.
  • a first electrode 181 is provided on the lower side of the substrate 11 (opposite side of the first tunnel layer 121), and a second electrode 182 is provided on the upper side of the contact layer 17 (opposite side of the n-type clad layer 132). There is.
  • the substrate 11 is made of an n-type semiconductor
  • the first tunnel layer 121 is made of an n-type semiconductor having a higher carrier (electron) density than the substrate 11.
  • the p-type clad layer 131 is made of a p-type semiconductor
  • the second tunnel layer 122 is made of a p-type semiconductor having a higher carrier (hole) density than the p-type clad layer 131.
  • the active layer 14 causes light emission in a specific emission wavelength band by injecting holes and electrons.
  • the active layer 14 is composed of, for example, a multiple-quantum well (MQW) in which a large number of thin films made of indium gallium arsenide (InGaAs) and thin films made of gallium arsenide (GaAs) are alternately laminated.
  • MQW multiple-quantum well
  • the two-dimensional photonic crystal layer 16 has a configuration in which a plurality of different refractive index regions 162 are periodically arranged two-dimensionally on a plate-shaped base material 161 made of an n-type semiconductor. ..
  • the different refractive index region 162 is typically composed of pores (air), but a member made of a material other than the base material 161 may be used.
  • the arrangement of the different refractive index region 162 is a square lattice in the example shown in FIG. 2, but may be another shape such as a triangular lattice.
  • the planar shape of the different refractive index region 162 is an equilateral triangle in the example shown in FIG.
  • one different refractive index region 162 may be formed by combining a plurality of pores or members made of a material other than the base material 161.
  • the carrier block layer 15, the n-type clad layer 132, and the contact layer 17 are all made of an n-type semiconductor.
  • the first electrode 181 has a shape in which the center of the plate-shaped conductor is hollowed out, and the frame portion 1811 is a portion where the conductor remains, and the window portion 1812 is a portion where the conductor is hollowed out.
  • the second electrode 182 is made of a conductor plate provided at a position facing the window portion 1812 of the first electrode 181 and having a smaller area than the window portion 1812 (see FIG. 2).
  • N-type GaAs is used for the substrate 11
  • n-type GaAs having a higher impurity concentration (for example, 10 to 100 times) than that of the substrate 11 is used for the first tunnel layer 121
  • p-type AlGaAs is used for the p-type clad layer 131.
  • GaAs having a higher impurity concentration (for example, 10 to 100 times) than that of the p-type clad layer 131 can be used.
  • n-type AlGaAs can be used for the base material 161 of the carrier block layer 15 and the two-dimensional photonic crystal layer 16 and the n-type clad layer 132, and even if the impurity concentrations of these three layers are the same. , May be different.
  • N-type GaAs can be used for the contact layer 17.
  • the impurity concentration in each layer other than the first tunnel layer 121 and the second tunnel layer 122 is set to be higher in each layer made of p-type semiconductor than in each layer made of n-type semiconductor (for example, 10 to 100 times).
  • each layer described here is an example, and other p-type semiconductors can be used in each layer exemplifying p-type GaAs or AlGaAs, and in each layer exemplifying n-type GaAs or AlGaAs, it is possible to use other p-type semiconductors. It is also possible to use other n-type semiconductors. These GaAs and AlGaAs can transmit light in the wavelength band of 0.7 to 1.0 ⁇ m.
  • Semiconductors such as InP, GaN, and AlInGaAsP other than GaAs and AlGaAs may be used as the material for each of these layers.
  • the first tunnel layer 121 can be manufactured by epitaxially growing on the substrate 11.
  • Each layer from the second tunnel layer 122 to the contact layer 17 can also be similarly produced by epitaxially growing on the nearest layer on the substrate 11 side of each layer.
  • the first electrode 181 and the second electrode 182 can be manufactured by using a metal such as gold as a material and using a method such as a thin film deposition method.
  • the thickness of the substrate 11 is sufficiently thicker than the thickness of each layer from the first tunnel layer 121 to the contact layer 17.
  • the distance between the second electrode 182 and the active layer 14 is sufficiently smaller than the distance between the first electrode 181 and the active layer 14.
  • the thickness of the first tunnel layer 121 and the second tunnel layer 122 is sufficiently thinner than the thickness of each layer from the substrate 11 and the p-type clad layer 131 to the contact layer 17.
  • the holes injected from the first electrode 181 easily reach the p-type clad layer 131 (further, the active layer 14 via the p-type clad layer 131) as described later.
  • each layer is, for example, 60 ⁇ m or more for the substrate 11, 10 to 2000 nm for the first tunnel layer 121, 10 to 2000 nm for the second tunnel layer 122, 1 to 10 ⁇ m for the p-type clad layer 131, and 1 to 100 nm for the active layer 14.
  • the carrier block layer 15 is 10 to 100 nm
  • the two-dimensional photonic crystal layer 16 is 10 to 1000 nm
  • the n-type clad layer 132 is 1 to 2 ⁇ m
  • the contact layer 17 is 10 to 500 nm.
  • the holes injected from the first electrode 181 pass through the substrate 11, the first tunnel layer 121, the second tunnel layer 122, and the p-type clad layer 131, and are introduced into the active layer 14.
  • the substrate 11 and the first tunnel layer 121 are made of an n-type semiconductor and the second tunnel layer 122 and the p-type clad layer 131 are made of a p-type semiconductor, the first tunnel layer 121 and the second tunnel layer 122 At the boundary, a reverse bias voltage is applied, with the n-type semiconductor side being positive and the p-type semiconductor side being negative.
  • the impurity concentration of the first tunnel layer 121 is higher than that of the substrate 11, and the impurity concentration in the second tunnel layer 122 is higher than that of the p-type clad layer 131. It is possible to realize a state in which the carrier (electron) density in 121 and the carrier (hole) density in the second tunnel layer 122 are high.
  • the holes injected from the first electrode 181 and introduced into the first tunnel layer 121 from the substrate 11 side can move to the second tunnel layer 122 due to the tunnel effect, and p from the second tunnel layer 122. It passes through the mold clad layer 131 and is introduced into the active layer 14.
  • the electrons injected from the second electrode 182 are introduced into the active layer 14 through the contact layer 17, the two-dimensional photonic crystal layer 16, and the carrier block layer 15.
  • the carrier block layer 15 prevents holes from moving from the active layer 14 to the two-dimensional photonic crystal layer 16, and electrons supplied from the two-dimensional photonic crystal layer 16 side are transferred to the active layer 14. Can be moved.
  • the area of the first electrode 181 is larger than the area of the second electrode 182, and the distance between the second electrode 182 and the active layer 14 is sufficiently smaller than the distance between the first electrode 181 and the active layer 14.
  • the area of the charge injection region 19 in which holes and electrons are injected in the active layer 14 is close to the area of the second electrode 182 and sufficiently smaller than the area of the first electrode 181. ..
  • FIG. 3 in which the substrate 11 is shown to be sufficiently thicker than the other layers is shown. It is close to the ratio of the thickness of the actual substrate 11 to the other layers.
  • the base material 161 of the two-dimensional photonic crystal layer 16 is made of an n-type semiconductor, and the electrons have higher mobilities than the holes.
  • the carrier density when a current of the same magnitude is passed can be reduced as compared with the case where the material 161 is made of a p-type semiconductor. Therefore, it is possible to suppress the absorption of a part of the light by the free carriers (electrons) in the base material 161 and to suppress the decrease in the efficiency of laser oscillation.
  • the electron mobility is higher than the hole mobility compared to the p-type GaAs, so it is necessary to pass a current of the same magnitude.
  • the carrier density can be reduced to about 1/2.
  • the n-type has a light absorption coefficient of about 40% (when the carrier density is 2 ⁇ 10 17 cm -3 ) when the carrier density is the same, compared to the p-type. can. Considering these factors together, by using n-type GaAs as the material of the base material 161 it is possible to suppress light absorption to about 1/3 to 1/5 as compared with the case of using p-type GaAs.
  • the material of the base material 161 has been described here as an example of n-type GaAs, the carrier density and the carrier density and the carrier density and the case where another n-type semiconductor such as AlGaAs is used as the material of the base material 161 (although the numerical values are different) Since the light absorption coefficient can be suppressed, the same effect can be obtained.
  • the laser beam thus generated is emitted to the outside from the window portion 1812 of the first electrode 181.
  • the two-dimensional photonic crystal layer 16 by using an n-type semiconductor as the material of the base material 161 of the two-dimensional photonic crystal layer 16, a part of light is absorbed by free carriers (electrons). It can be suppressed that the laser oscillation efficiency is lowered.
  • the base material 161 made of n-type semiconductor since the base material 161 made of n-type semiconductor is used, it is not necessary to use the substrate made of p-type semiconductor, and the material cost can be suppressed by using the substrate 11 made of n-type semiconductor which is cheaper.
  • the base material 161 is activated while using the n-type semiconductor for both the base material 161 and the substrate 11. It can be provided on the opposite side of the substrate 11 when viewed from the layer 14. As a result, it is not necessary to form the active layer 14 on the two-dimensional photonic crystal layer 16, so that the activity has the desired characteristics without being affected by the unevenness generated on the surface of the two-dimensional photonic crystal layer 16.
  • the layer 14 can be easily produced.
  • the two-dimensional photonic crystal laser 20 of the second embodiment has a substrate 11, a first tunnel layer 121, and a first, in order from the lower side of FIG.
  • Two tunnel layer 122, reflective layer 21, p-type clad layer (p-type semiconductor layer in the present invention) 131, active layer 14, carrier block layer 15, two-dimensional photonic crystal layer 16, and n-type clad It has a structure in which the layer 132 and the contact layer 17 are laminated.
  • a first electrode 281 is provided on the lower side of the substrate 11 (opposite side of the first tunnel layer 121), and a second electrode 282 is provided on the upper side of the contact layer 17 (opposite side of the n-type clad layer 132).
  • the substrate 11, the p-type clad layer 131, the active layer 14, the carrier block layer 15, the two-dimensional photonic crystal layer 16, the n-type clad layer 132, and the contact layer 17 are the two of the first embodiment. Since it is the same as each component of the dimensional photonic crystal laser 10, the description thereof will be omitted.
  • the reflective layer 21 is made of DBR.
  • the DBR used in this embodiment is obtained by alternately stacking a plurality of layers composed of two types of p-type semiconductors having different refractive indexes.
  • a p-type AlGaAs in which two types of layers having different Al contents are alternately laminated can be used as the reflective layer 21.
  • the first embodiment is characterized in that the first tunnel layer 121 is made of an n-type semiconductor having a higher carrier density than the substrate 11, and the second tunnel layer 122 is made of a p-type semiconductor having a higher carrier density than the p-type clad layer 131. It is the same as the two-dimensional photonic crystal laser 10 of the above.
  • the n-type semiconductor (first tunnel layer 121) and the p-type semiconductor (second tunnel layer 122) having higher carrier densities than those of the first embodiment ) Is used.
  • the first tunnel layer 121 is n-type.
  • InGaAs, and p-type InGaAs for the second tunnel layer 122 can be preferably used.
  • InGaAs is a semiconductor having a smaller bandgap than GaAs and AlGaAs, thereby increasing the carrier density.
  • the first electrode 281 is provided on the lower surface of the substrate 11, and the second electrode 282 is provided on the upper surface of the contact layer 17.
  • the area of the first electrode 281 is larger than that of the second electrode 282.
  • the first electrode 281 may be provided on the entire lower surface of the substrate 11, and the second electrode 282 may be provided only near the center of the upper surface of the contact layer 17.
  • a material that is transparent with respect to the laser light oscillated by the two-dimensional photonic crystal layer 16 is used.
  • the material of the first electrode 281 may be transparent or opaque with respect to the laser beam.
  • a metal material such as gold can be used as the material of the first electrode 281, and indium tin oxide (ITO) can be used as the material of the second electrode 282.
  • the active layer 14 charges are intensively injected into a region smaller than the first electrode 281, and the output of light generated in the active layer 14 per unit area can be increased.
  • the light generated in the active layer 14 only the light having a predetermined wavelength corresponding to the periodic length of the arrangement of the different refractive index region 162 is amplified in the two-dimensional photonic crystal layer 16 and laser oscillated.
  • the laser light generated in this way is emitted from both the upper and lower surfaces of the two-dimensional photonic crystal layer 16, and the laser light emitted to the first electrode 281 side of them is reflected by the reflection layer 21 and is second. It goes toward the second electrode 282 side without penetrating into the tunnel layer 122 and the first tunnel layer 121. Therefore, any laser beam emitted from either the upper or lower side of the two-dimensional photonic crystal layer 16 is emitted to the outside directly from the upper surface of the contact layer 17 or through the second electrode 182.
  • the n-type semiconductor is used as the material of the base material 161 of the two-dimensional photonic crystal layer 16 as in the two-dimensional photonic crystal laser 10 of the first embodiment.
  • the n-type semiconductor is used as the material of the base material 161 of the two-dimensional photonic crystal layer 16 as in the two-dimensional photonic crystal laser 10 of the first embodiment.
  • the base material 161 is activated while using the n-type semiconductor for both the base material 161 and the substrate 11. Since it can be provided on the opposite side of the substrate 11 when viewed from the layer 14, the active layer 14 having the desired characteristics can be easily produced without being affected by the unevenness generated on the surface of the two-dimensional photonic crystal layer 16. be able to.
  • the reflection layer 21 is provided between the second tunnel layer 122 and the p-type clad layer 131.
  • the laser light does not penetrate into the first tunnel layer 121 and the second tunnel layer 122, which have higher carrier densities than the other layers, and a part of the laser light in the first tunnel layer 121 and the second tunnel layer 122. Can be prevented from being absorbed.
  • the materials of the first tunnel layer 121 and the second tunnel layer 122 have a higher carrier density than the materials used in the first embodiment, such as InGaAs. Higher ones can be used, thereby increasing the carrier density injected into the active layer 14 and further increasing the intensity of the laser beam.
  • FIG. 5 shows a device having the structure of Patent Document 1 (when a base material made of a p-type semiconductor is used; hereinafter referred to as a “comparative example”) and a device having the structure of the second embodiment of the present invention (from an n-type semiconductor).
  • Example The simulation results of each optical output characteristic of the case of using the base material made of (hereinafter referred to as “Example”) are shown.
  • n-type semiconductor n-type GaAs
  • p-type GaAs p-type GaAs
  • the in-plane loss (loss radiated to the device outside the direction parallel to the surface) the comparative example, the 3 cm -1 Example both emission coefficient is 12cm -1 in the comparative example, in the embodiment 8 cm - Calculated as 1.
  • the threshold current density is reduced 0.6kA ⁇ cm -2 from (Comparative Example) to 0.2 kA ⁇ cm -2 (Example), an oscillation threshold current value is lowered.
  • the slope efficiency is 0.79 W / A in the comparative example, while it is 0.88 W / A in the example.
  • the reduction of the loss enables oscillation at a low threshold value and operation with high slope efficiency.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration of the two-dimensional photonic crystal laser 30 of the third embodiment.
  • the two-dimensional photonic crystal laser 30 includes a groove 32, a point where the first electrode 381 is provided on the bottom surface of the groove 32, and a reflection layer 31 between the n-type clad layer 132 and the contact layer 17. It is different from the two-dimensional photonic crystal lasers 10 and 20 of the first and second embodiments in that they are provided.
  • the same configurations as those of the two-dimensional photonic crystal lasers 10 and 20 of the first and second embodiments will be omitted, and only the above differences will be described.
  • the groove 32 From the surface of the contact layer 17, the groove 32 includes a reflective layer 31, an n-type clad layer 132, a two-dimensional photonic crystal layer 16, a carrier block layer 15, an active layer 14, a p-type clad layer 131, a second tunnel layer 122, and a second. It penetrates 1 tunnel layer 121 and is dug down to a position between the upper surface and the lower surface of the substrate 11.
  • the shape (planar shape) of the groove 32 in the cross section parallel to the two-dimensional photonic crystal layer 16 (the same applies to other layers such as the contact layer 17) is frame-shaped.
  • the shape of the first electrode 381 provided on the bottom surface of the groove 32 is a frame shape similar to the planar shape of the groove 32, and is similar to the shape of the frame portion 1811 of the first electrode 181 in the first embodiment. There is. Since the first electrode 381 is provided on the bottom surface of the groove 32 in this way, the vertical position of the first electrode 381 is a position between the upper surface and the lower surface of the substrate 11.
  • the reflective layer 31 is provided between the n-type clad layer 132 and the contact layer 17 as described above.
  • a layer made of DBR can be used as in the case of the reflective layer 21 in the second embodiment.
  • the lower surface of the substrate 11 is provided with the first electrode 381 on the lower surface of the groove 32 having the bottom surface at a position between the upper surface and the lower surface of the substrate 11.
  • the electrical resistance between the first electrode 381 and the active layer 14 is smaller than in the case of the first embodiment in which the first electrode 181 is provided. Thereby, the electric charge can be supplied to the active layer 14 more efficiently.
  • the planar shape of the first electrode 381 is frame-shaped, the laser beam passes through the frame of the first electrode 381 and is the surface of the substrate 11. It emits to the outside from. Therefore, it is possible to prevent the first electrode 381 from hindering the emission of the laser beam and causing unnecessary diffraction.
  • the two-dimensional photonic crystal laser 30 of the third embodiment can be easily manufactured in the following points.
  • each layer such as the second tunnel layer 122 is formed on the upper surface of the substrate 11, and the first electrodes 181, 281 are formed on the lower surface. It is necessary to turn the substrate 11 upside down between when each layer is produced and when the first electrodes 181 and 281 are produced.
  • the two-dimensional photonic crystal laser 30 of the third embodiment since both the layers such as the second tunnel layer 122 and the first electrode 381 are formed on the upper surface of the substrate 11, it is necessary to invert the substrate 11 upside down. It is easy to manufacture.
  • an n-type semiconductor is used as the material of the base material 161.
  • a semiconductor (described as “i” in the figure) that is not carrier-doped into the material of the base material 161A of the two-dimensional photonic crystal layer 16A may be used.
  • a part 1611 (area in one example) of the base material 161B of the two-dimensional photonic crystal layer 16B is used to facilitate the flow of current from the second electrode 182 side to the active layer 14 side.
  • An n-type semiconductor may be used for 30% of the ratio), and a carrier-doped semiconductor may be used for the remaining portion 1612 (70% of the area ratio in the above example).
  • the second electrode 282 which has a smaller area than the first electrode 281 is provided near the center of the upper surface of the contact layer 17, but instead, the first electrode 281 in the first embodiment is provided.
  • a window-shaped electrode having a frame portion and a window portion similar to the one electrode 181 may be provided on the upper surface of the contact layer 17 as a second electrode.
  • the center of the two-dimensional photonic crystal layer is provided. It becomes difficult to supply electric charge to the vicinity.
  • the electric charge is generated. Since the mobility of (electrons) can be increased, an electric charge can be supplied to the vicinity of the center of the two-dimensional photonic crystal layer 16 even if a window-shaped electrode is used for the second electrode 282.
  • the first electrode 381 is provided on the bottom surface of the groove 32, and the reflection layer 31 is provided between the n-type clad layer 132 and the contact layer 17, but the groove 32
  • the reflective layer 21 may be provided between the second tunnel layer 122 and the p-type clad layer 131 instead of the reflective layer 31.
  • the first electrode 181 is provided on the lower surface of the substrate 11 without providing the groove 32 and the first electrode 381 on the bottom surface of the groove 32. May be provided.
  • Two-dimensional photonic crystal laser 11 ... Substrate 121 ... First tunnel layer 122 ... Second tunnel layer 131 ... p-type clad layer 132 ... n-type clad layer 14 ... Active layer 15 ... Carrier block layer 16, 16A, 16B ... Two-dimensional photonic crystal layers 161, 161A, 161B ... Base material 1611 ... Part of base material 1612 ... Part of base material 1611 Other than part 162 ... Different refractive index region 17 ... Contact layers 181, 281, 381 ... First electrode 1811 ... Frame portion 1812 ... Window portion 182, 282 ... Second electrode 19 ... Charge injection region 21, 31 ... Reflective layer 32 ... Groove

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Abstract

２次元フォトニック結晶レーザ１０は、n型半導体から成る基板１１と、基板１１の上側に設けられた、p型半導体から成るp型クラッド層（p型半導体層）１３１と、p型クラッド層１３１の上側に設けられた活性層１４と、活性層１４の上側に設けられた、n型半導体から成る板状の母材１６１に母材１６１とは屈折率が異なる材料から成る異屈折率領域１６２が周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶層１６と、基板１１とp型クラッド層１３１の間に設けられた、基板１１よりもキャリア密度が高いn型半導体から成る第１トンネル層１２１と、第１トンネル層１２１とp型クラッド層１３１の間に第１トンネル層１２１と接して設けられた、前記p型半導体層よりもキャリア密度が高いp型半導体から成る第２トンネル層１２２と、基板１１の下側又は基板１１内に設けられた第１電極１８１と、２次元フォトニック結晶層１６の上側に設けられた第２電極１８２とを備える。

Description

２次元フォトニック結晶レーザ
　本発明は、２次元フォトニック結晶を用いて光を増幅する２次元フォトニック結晶レーザに関する。
　２次元フォトニック結晶レーザは、活性層及び２次元フォトニック結晶層を備える。活性層は、キャリア（正孔、電子）が注入されることによって、特定の発光波長帯の発光を生じさせるものである。２次元フォトニック結晶層は、板状の母材にそれとは屈折率が異なる異屈折率領域が周期的に２次元状に配置された構成を有している。異屈折率領域は、母材に形成された空孔（空気）、又は母材の材料とは異なる部材から成る。２次元フォトニック結晶レーザでは、活性層で生じる光のうち異屈折率領域の配置の周期長に対応した所定波長の光のみが増幅されてレーザ発振し、フォトニック結晶層に垂直な方向にレーザビームとして出射する。
　２次元フォトニック結晶レーザは一般に、上述した活性層及び２次元フォトニック結晶層以外にも様々な機能を有する層を備える。例えば特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶レーザでは、基板上に、第１クラッド層、活性層、キャリアブロック層、２次元フォトニック結晶層、第２クラッド層及びコンタクト層がこの順に積層された構造を有する。基板の下側及びコンタクト層の上側にはそれぞれ電極が設けられている。電極以外の各層は、基板の上にエピタキシャル成長させることにより作製される。基板の材料には、p型半導体よりも安価なn型半導体が用いられる。そして、第１クラッド層には基板と同極性であるn型半導体を用い、キャリアブロック層、２次元フォトニック結晶層の母材、第２クラッド層及びコンタクト層にはp型半導体を用いる。この２次元フォトニック結晶レーザでは、上側の電極からコンタクト層、第２クラッド層及び２次元フォトニック結晶層の母材を通して正孔が、下側の電極から基板及び第１クラッド層を通して電子が、それぞれ活性層に注入される。
　第１クラッド層及び第２クラッド層は、それらの間に光を閉じ込め易くすることによって、活性層での発光の効率及びフォトニック結晶層での光の増幅の効率を高めるために設けられている。キャリアブロック層は、電子がフォトニック結晶層に侵入することを防ぐために設けられている。コンタクト層は、上側の電極から正孔を注入しやすくするために設けられている。
特開2007-258262号公報 特開2012-033705号公報 特開2018-144664号公報
　特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶レーザでは上述のように、２次元フォトニック結晶層の母材の材料にはp型半導体から成るものを用いている。一般に正孔は電子よりも移動度が低いため、n型半導体から成る基板やn型半導体から成る第１及び第２クラッド層におけるキャリア（電子）の密度よりも２次元フォトニック結晶層におけるキャリア（正孔）の密度が高くなるようにバンドギャップや不純物の濃度等が設定されたp型半導体を２次元フォトニック結晶層の母材の材料に使用する。しかし、活性層で生じた光を２次元フォトニック結晶層内で増幅させる際にその光の一部をフリーキャリアである正孔が吸収してしまうため、２次元フォトニック結晶層内における正孔の密度が高くなるとレーザ発振の効率が低下するという問題が生じる。
　一方、特許文献２には、特許文献１と同様の構造を有する２次元フォトニック結晶レーザにおいて、基板及び第１クラッド層にp型半導体から成るものを用い、第２クラッド層及びコンタクト層にn型半導体から成るものを用いてもよいと記載されている。この構成では、２次元フォトニック結晶層の母材にn型半導体を用いるため、p型半導体を用いる場合よりもキャリア（電子）密度を低くすることができる。このため、光の吸収を抑えることができる。しかし、基板は他の層よりも厚くする必要があるため、n型半導体よりも高価であるp型半導体を基板に用いると２次元フォトニック結晶レーザの材料コストが上昇してしまう。
　また、特許文献３には、n型半導体から成る基板の上に、n型半導体から成るクラッド層、n型半導体から成る母材を有する２次元フォトニック結晶層、活性層、p型半導体から成るキャリアブロック層、p型半導体から成るクラッド層、及びp型半導体から成るコンタクト層をこの順に積層した構成を有するフォトニック結晶レーザが記載されている。この構成においても、２次元フォトニック結晶層の母材はn型半導体であるため、p型半導体を用いる場合よりもフリーキャリアによる光の吸収を抑えることができる。しかし、２次元フォトニック結晶層の異屈折率領域が空孔から成る場合には基板とは反対側の表面に凹凸が形成されてしまう。異屈折率領域が母材とは材料が異なる部材から成る場合にも、２次元フォトニック結晶層の表面に凹凸が形成されることなく異屈折率領域を作製することは難しい。このような凹凸のある面に他の層を形成してもなお、その層の上面に凹凸が残ってしまう。特許文献３の半導体発光素子ではそのような凹凸のある面の上に活性層を作製しなければならないが、活性層は一般に２次元フォトニック結晶レーザ内の他の層よりも薄い半導体層を複数積層することで作製されることから、このような凹凸のある面の上に所期の特性を持つ活性層を形成することは難しい。
　本発明が解決しようとする課題は、２次元フォトニック結晶層においてレーザ発振の効率が低下することを抑えることができ、且つ材料コストを上昇させることなく容易に作製することができる２次元フォトニック結晶レーザを提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザは、
　a) n型半導体から成る基板と、
　b) 前記基板の上側に設けられた、p型半導体から成るp型半導体層と、
　c) 前記p型半導体層の上側に設けられた活性層と、
　d) 前記活性層の上側に設けられた、n型半導体から成る板状の母材内に該母材とは屈折率が異なる材料から成る異屈折率領域が周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶層と、
　e) 前記基板と前記p型半導体層の間に設けられた、前記基板よりもキャリア密度が高いn型半導体から成る第１トンネル層と、
　f) 前記第１トンネル層と前記p型半導体層の間に該第１トンネル層と接して設けられた、前記p型半導体層よりもキャリア密度が高いp型半導体から成る第２トンネル層と、
　g) 前記基板の下側又は前記基板内に設けられた第１電極と、
　h) 前記２次元フォトニック結晶層の上側に設けられた第２電極と
を備えることを特徴とする。
　なお、ここでは各構成要素の位置関係を説明するために、便宜上、「上」、「下」という語を用いたが、これらの語は本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの向きを限定するものではない。
　本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの動作を説明する前に、第１トンネル層及び第２トンネル層の役割を説明する。一般に、n型半導体から成るn型半導体層とp型半導体から成るp型半導体層が接している場合には、正孔は、p型半導体層側を正とする電圧が印加されたときには通過することができるのに対して、n型半導体層側を正とする電圧が印加されたときには通過することができない。しかし、n型半導体層とp型半導体層の間の、n型半導体層寄りに該n型半導体層よりもキャリア（電子）密度を高くした第１トンネル層を、p型半導体層寄りに該p型半導体層よりもキャリア（正孔）密度を高くした第２トンネル層を、それぞれ設けることにより、n型半導体層側を正とする電圧を印加したときにも、トンネル効果によって正孔をn型半導体層からp型半導体層に通過させることができる。これらのキャリア（電子、正孔）密度は、p型又はn型半導体のバンドギャップを小さくすることや、不純物濃度を高くすること等により設定することができる。
　本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの動作を説明する。この２次元フォトニック結晶レーザでは、第１電極側が正、第２電極側が負となる電圧を両電極間に印加することにより、第１電極から正孔が、第２電極から電子が、それぞれ注入される。すると、第１トンネル層が基板（前記n型半導体層に相当）よりもキャリア密度が高く、第２トンネル層がp型半導体層よりもキャリア密度が高いため、第１電極から注入された正孔は上記のように、基板からトンネル効果によって第１トンネル層及び第２トンネル層を通過し、p型半導体層に到達し、活性層に注入される。一方、第２電極から注入された電子は、２次元フォトニック結晶を通過して活性層に注入される。このように正孔及び電子が活性層に注入されることによって活性層で発光が生じ、２次元フォトニック結晶層で光が増幅されることによりレーザ発振する。
　本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザによれば、２次元フォトニック結晶層の母材にn型半導体を用いるため、母材にp型半導体を用いる場合よりも、同じ大きさの電流を流す際のキャリア密度を低くすることができる。そのため、２次元フォトニック結晶層内において、光の一部がフリーキャリアによって吸収されることに起因してレーザ発振の効率が低下することを抑えることができる。
　また、本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザでは、p型半導体よりも安価なn型半導体を基板に用いるため、材料コストが上昇することを防ぐことができる。
　さらに、本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザは、２次元フォトニック結晶層が活性層から見て基板の反対側に設けられていることから、２次元フォトニック結晶層の表面の凹凸の影響を受けることなく活性層を形成することができるため、所期の特性を持つ活性層を容易に作製することができる。
　基板と第１トンネル層の間、活性層とフォトニック結晶層の間、及び／又はフォトニック結晶層と第２電極の間には、n型半導体から成る他の層を設けてもよい。例えば、活性層と２次元フォトニック結晶層の間には、n型半導体から成るキャリアブロック層を設けてもよい。２次元フォトニック結晶層と第２電極の間には、n型半導体から成るクラッド層や、n型半導体から成るコンタクト層を設けてもよい。
　また、第２トンネル層とp型半導体層の間、及び／又はp型半導体層と活性層の間には、p型半導体から成る他の層（例えば次に述べる、第２トンネル層とp型半導体層の間の反射層）を設けてもよい。この場合、レーザ光は第２電極側から２次元フォトニック結晶レーザの外部に出射する。
　第１トンネル層及び第２トンネル層は、キャリア密度が基板やp型半導体層よりも高くなるため、フリーキャリアによるレーザ光の吸収が生じ易い。そこで、本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザはさらに、前記第２トンネル層と前記p型半導体層の間に、前記２次元フォトニック結晶層で生成されるレーザ光を反射する反射層を備えることが望ましい。これにより、キャリア密度が他の層よりも高くなる第１トンネル層及び第２トンネル層においてレーザ光の一部が吸収されることを防ぐことができる。このような反射層として、例えば、屈折率が異なる2種類のp型半導体から成る層を複数層ずつ交互に積層した分布ブラッグ反射鏡（Distribution Bragg Reflector：DBR）を用いることができる。
　あるいは、２次元フォトニック結晶層と第２電極の間に反射層を設けてもよい。この場合、２次元フォトニック結晶層と反射層の間及び／又は反射層と第２電極の間に、n型半導体から成る他の層（前述のクラッド層やコンタクト層）が存在してもよい。この場合、レーザ光は第１電極側から２次元フォトニック結晶レーザの外部に出射する。
　本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、
　さらに、前記２次元フォトニック結晶レーザの上側の表面から設けられ、前記基板の上面と下面の間の位置に底面を有し、前記２次元フォトニック結晶層に平行な断面における形状が枠状である溝を備え、
　前記第１電極が前記溝の底面に設けられている、
という構成を取ることができる。
　このように基板の上面と下面の間の位置に底面を有する溝の該底面（従って、基板内）に第１電極を設けることにより、基板の下面に第１電極を設ける場合よりも第１電極と活性層の間の電気抵抗が小さくなり、電荷をより効率的に活性層に供給することができる。また、平面形状が枠状である溝の底面に第１電極が設けられていることにより、第１電極の形状も枠状となり、２次元フォトニック結晶層でレーザ発振したレーザ光はこの第１電極の枠内を通過して基板の表面から外部に出射する。そのため、第１電極によってレーザ光の出射が妨げられることや不要な回折を生じさせることを抑えることができる。さらに、基板の下面に第１電極を設ける場合には基板の両表面の一方に第２トンネル層、第１トンネル層、p型半導体層等を作製し、他方に第１電極を作製するため、作製中に基板の上下を反転させる必要があるのに対して、このような溝の底面に第１電極を設ける場合には第２トンネル層等と同じ側に第１電極を作製するため、作製中に基板の上下を反転させる必要が無く製造が容易になる。
　基板及び２次元フォトニック結晶層の母材の材料には例えば、GaAs又はGaAsにおけるGaの一部をAlに置換したn型のGaAs又はn型のAlGaAsを用い、p型半導体層にはp型のGaAs又はp型のAlGaAsを用いることができる。この例において、第１トンネル層及び第２トンネル層には、InGaAsを用いることが好ましい。InGaAsはGaAs及びAlGaAsの中でバンドギャップが小さく、キャリア密度を高くすることができる。但し、InGaAsは光を吸収しやすいため、InGaAsを第１トンネル層や第２トンネル層の材料に用いる場合には、上述のように第２トンネル層とp型半導体層の間に反射層を設けることが望ましい。
　本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、前記母材の全体又は一部に、n型半導体の代わりにキャリアドープされていない半導体を用いてもよい。母材の一部にキャリアドープされていない半導体（残りの部分にn型半導体）を用いる場合には、母材の全体がn型半導体から成る場合よりもフリーキャリアによる光の吸収損失を抑えつつ、母材の全体がキャリアドープされていない半導体から成る場合よりも第２電極側から活性層側に電流が流れやすくなる。また、母材の全体にキャリアドープされていない半導体を用いることにより、光の吸収損失をより一層抑えることができる。
　本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザによれば、２次元フォトニック結晶層においてレーザ発振の効率が低下することを抑えることができ、且つ材料コストが上昇することなく容易に作製することができる。
本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第１実施形態を示す概略構成図。 第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザが有するフォトニック結晶層、第１電極及び第２電極を示す斜視図。 第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザの活性層におけるキャリア注入領域を模式的に示す図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第２実施形態を示す概略構成図。 第２実施形態及び比較例の２次元フォトニック結晶レーザについて行った光出力特性のシミュレーションの結果を示すグラフ。 本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第３実施形態を示す概略縦断面図(a)及び上面図(b)。 第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザの変形例(a)及び別の変形例(b)を示す概略構成図。
　図１～図７を用いて、本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの実施形態を説明する。
(1) 第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザの構成
　第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０は、図１の下側から順に、基板１１と、第１トンネル層１２１と、第２トンネル層１２２と、p型クラッド層（本発明におけるp型半導体層）１３１と、活性層１４と、キャリアブロック層１５と、２次元フォトニック結晶層１６と、n型クラッド層１３２と、コンタクト層１７とを積層した構成を有する。基板１１の下側（第１トンネル層１２１の反対側）には第１電極１８１が、コンタクト層１７の上側（n型クラッド層１３２の反対側）には第２電極１８２が、それぞれ設けられている。
　基板１１はn型半導体から成り、第１トンネル層１２１は基板１１よりもキャリア（電子）密度が高いn型半導体から成る。p型クラッド層１３１はp型半導体から成り、第２トンネル層１２２はp型クラッド層１３１よりもキャリア（正孔）密度が高いp型半導体から成る。
　活性層１４は、正孔及び電子が注入されることによって特定の発光波長帯の発光を生じさせるものである。活性層１４は例えば、インジウム・ガリウム砒素（InGaAs）から成る薄膜とガリウム砒素（GaAs）から成る薄膜を交互に多数積層した多重量子井戸（Multiple-Quantum Well; MQW）により構成される。
　２次元フォトニック結晶層１６は、図２に示すように、n型半導体から成る板状の母材１６１に、複数の異屈折率領域１６２が周期的に２次元状に配置された構成を有する。異屈折率領域１６２は、典型的には空孔（空気）から成るが、母材１６１以外の材料から成る部材を用いてもよい。異屈折率領域１６２の配置は、図２に示した例では正方格子状としたが、三角格子状等の他の形状としてもよい。また、異屈折率領域１６２の平面形状は、図２に示した例では正三角形としたが、直角三角形等の正三角形以外の三角形、円形、楕円形等の他の形状としてもよい。また、複数個の空孔又は母材１６１以外の材料から成る部材を組み合わせて1個の異屈折率領域１６２を構成してもよい。
　キャリアブロック層１５、n型クラッド層１３２、及びコンタクト層１７はいずれもn型半導体から成る。
　第１電極１８１は、板状の導電体の中央が刳り抜かれた形状を有し、導電体が残っている部分である枠部１８１１と、導電体が刳り抜かれた部分である窓部１８１２とを有する（図２参照）。第２電極１８２は、第１電極１８１の窓部１８１２に対向する位置に設けられた、該窓部１８１２よりも面積が小さい導電体板から成る（図２参照）。
　２次元フォトニック結晶レーザ１０における各構成要素の材料の具体例を示す。基板１１にはn型GaAsを、第１トンネル層１２１には基板１１よりも不純物濃度が（例えば10～100倍）高いn型GaAsを、p型クラッド層１３１にはp型のAlGaAsを、第２トンネル層１２２にはp型クラッド層１３１よりも不純物濃度が（例えば10～100倍）高いGaAsを、それぞれ用いることができる。また、キャリアブロック層１５、２次元フォトニック結晶層１６の母材１６１、及びn型クラッド層１３２にはいずれもn型AlGaAsを用いることができ、それら3層の不純物濃度は同じであっても、異なっていてもよい。コンタクト層１７には、n型GaAsを用いることができる。第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２以外の各層における不純物濃度は、p型半導体から成る各層の方がn型半導体から成る各層よりも（例えば10～100倍）高くなるようにする。なお、ここで述べた各層の材料は一例であって、p型のGaAs又はAlGaAsを例示した各層では他のp型半導体を用いることも可能であり、n型のGaAs又はAlGaAsを例示した各層では他のn型半導体を用いることも可能である。これらGaAs及びAlGaAsは、0.7～1.0μmの波長帯内の光を透過させることができる。
　これら各層の材料には、GaAs及びAlGaAs以外のInP、GaN、AlInGaAsP等の半導体を用いてもよい。
　第１トンネル層１２１は、基板１１上にエピタキシャル成長させることにより作製することができる。第２トンネル層１２２からコンタクト層１７までの各層も同様に、各層の基板１１側の直近の層の上にエピタキシャル成長させることにより作製することができる。
　第１電極１８１及び第２電極１８２は、金等の金属を材料として、蒸着法等の方法を用いて作製することができる。
　基板１１の厚さは、第１トンネル層１２１からコンタクト層１７までの各層の厚さよりも十分に厚くする。これにより、第１電極１８１と活性層１４の距離よりも第２電極１８２と活性層１４の距離の方が十分に小さくなる。また、第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２の厚さは、基板１１及びp型クラッド層１３１からコンタクト層１７までの各層の厚さよりも十分に薄くする。これにより、後述のように第１電極１８１から注入される正孔がp型クラッド層１３１（さらにはp型クラッド層１３１を介して活性層１４）に到達し易くなる。各層の厚さは例えば、基板１１は60μm以上、第１トンネル層１２１は10～2000nm、第２トンネル層１２２は10～2000nm、p型クラッド層１３１は1～10μm、活性層１４は1～100nm、キャリアブロック層１５は10～100nm、２次元フォトニック結晶層１６は10～1000nm、n型クラッド層１３２は1～2μm、コンタクト層１７は10～500nmとする。
(2) 第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザの動作
　第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０の動作を説明する。この２次元フォトニック結晶レーザ１０を使用する際には、第１電極１８１側が正、第２電極１８２側が負となる電圧をこれら2つの電極間に印加する。これにより、第１電極１８１から正孔が、第２電極１８２から電子が、それぞれ２次元フォトニック結晶レーザ１０内に注入される。
　第１電極１８１から注入された正孔は、基板１１、第１トンネル層１２１、第２トンネル層１２２及びp型クラッド層１３１を通過して活性層１４に導入される。ここで、基板１１及び第１トンネル層１２１がn型半導体から成り、第２トンネル層１２２及びp型クラッド層１３１がp型半導体から成ることから、第１トンネル層１２１と第２トンネル層１２２の境界ではn型半導体側が正、p型半導体側が負という、逆バイアスの電圧が印加される。ダイオードにおいてよく知られているように、このような逆バイアスの電圧が印加されると、通常はn型半導体とp型半導体の境界を越える電流はほとんど流れない。しかし、本発明では、第１トンネル層１２１の不純物濃度が基板１１のそれよりも高く、第２トンネル層１２２内の不純物濃度がp型クラッド層１３１のそれよりも高いことにより、第１トンネル層１２１内のキャリア（電子）密度及び第２トンネル層１２２内のキャリア（正孔）密度が高い状態を実現することが可能になる。これにより、第１電極１８１から注入されて基板１１側から第１トンネル層１２１に導入された正孔は、トンネル効果によって第２トンネル層１２２に移動することができ、第２トンネル層１２２からp型クラッド層１３１を通過して活性層１４に導入される。
　一方、第２電極１８２から注入された電子は、コンタクト層１７、２次元フォトニック結晶層１６、キャリアブロック層１５を通して活性層１４に導入される。なお、キャリアブロック層１５は、正孔が活性層１４から２次元フォトニック結晶層１６に移動することを防ぐものであり、２次元フォトニック結晶層１６側から供給される電子は活性層１４に移動させることができる。
　このように活性層１４に正孔及び電子が導入されることにより、活性層１４内において特定の発光波長帯の発光が生じる。その際、第１電極１８１の面積が第２電極１８２の面積よりも大きく、且つ、第１電極１８１と活性層１４の距離よりも第２電極１８２と活性層１４の距離の方が十分に小さいことにより、活性層１４のうち正孔及び電子が注入される電荷注入領域１９（図３参照）の面積は、第２電極１８２の面積に近く、第１電極１８１の面積よりも十分に小さくなる。このように小さい面積の電荷注入領域１９内に電荷を集中的に注入することにより、活性層１４で生成される光の単位面積当たりの出力を大きくすることができる。なお、図１及び図３ではいずれも、説明の都合上、各層の厚さの比を正確には示していないが、基板１１を他の層よりも十分に厚く示した図３の方が、実際の基板１１と他の層との厚さの比に近い。
　活性層１４で生じた光は、２次元フォトニック結晶層１６において、異屈折率領域１６２の配置の周期長に対応した所定波長の光のみが増幅されてレーザ発振する。ここで、第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０では、２次元フォトニック結晶層１６の母材１６１がn型半導体から成り、正孔よりも電子の方が移動度が高いため、母材１６１がp型半導体から成る場合よりも、同じ大きさの電流を流した際のキャリア密度を小さくすることができる。そのため、母材１６１において光の一部がフリーキャリア（電子）によって吸収されることを抑えることができ、レーザ発振の効率が低下することを抑えることができる。
　例えば、母材１６１の材料がn型のGaAsから成る場合、p型のGaAsよりと対比すると、電子の移動度が正孔の移動度よりも高いため、同じ大きさの電流を流すために要するキャリア密度を約1/2とすることができる。それに加えてGaAsでは、p型よりもn型の方が、キャリア密度が同じである場合の光の吸収係数を約40％（キャリア密度が2×1017cm-3の場合）に抑えることができる。これらを合わせて考慮すると、母材１６１の材料にn型のGaAsを用いることにより、p型のGaAsを用いる場合よりも、光の吸収を約1/3～1/5に抑えることができる。なお、ここでは母材１６１の材料がn型のGaAsを例に説明したが、母材１６１の材料にAlGaAs等の他のn型半導体を用いた場合にも（数値は異なるが）キャリア密度及び光の吸収係数を抑えることができるため、同様の効果を奏する。
　併せて、上述のように活性層１４で生成される光の単位面積当たりの出力を大きくすることにより、２次元フォトニック結晶層１６におけるレーザ発振を生じ易くすることができる。
　こうして生成されたレーザ光は、第１電極１８１の窓部１８１２から外部に出射する。
　本実施形態に係る２次元フォトニック結晶層１６によれば、２次元フォトニック結晶層１６の母材１６１の材料にn型半導体を用いることにより、光の一部がフリーキャリア（電子）によって吸収されることを抑えることができ、レーザ発振の効率が低下することを抑えることができる。
　また、n型半導体から成る母材１６１を用いるためにp型半導体から成る基板を用いる必要がなく、より安価であるn型半導体から成る基板１１を用いて材料コストを抑えることができる。
　さらに、基板１１とp型クラッド層１３１の間に第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２を設けることにより、母材１６１と基板１１の双方にn型半導体を用いつつ、母材１６１を活性層１４から見て基板１１の反対側に設けることができる。これにより、活性層１４を２次元フォトニック結晶層１６の上に作製する必要がないため、２次元フォトニック結晶層１６の表面に生じる凹凸の影響を受けることなく、所期の特性を持つ活性層１４を容易に作製することができる。
(3) 第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザの構成
　第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ２０は、図４の下側から順に、基板１１と、第１トンネル層１２１と、第２トンネル層１２２と、反射層２１と、p型クラッド層（本発明におけるp型半導体層）１３１と、活性層１４と、キャリアブロック層１５と、２次元フォトニック結晶層１６と、n型クラッド層１３２と、コンタクト層１７とを積層した構成を有する。基板１１の下側（第１トンネル層１２１の反対側）には第１電極２８１が、コンタクト層１７の上側（n型クラッド層１３２の反対側）には第２電極２８２が、それぞれ設けられている。これら各構成要素のうち、基板１１、p型クラッド層１３１、活性層１４、キャリアブロック層１５、２次元フォトニック結晶層１６、n型クラッド層１３２及びコンタクト層１７は、第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０が有する各構成要素と同様であるため、説明を省略する。
　反射層２１はDBRから成る。本実施形態で用いるDBRは、屈折率が異なる2種類のp型半導体から成る層を複数層ずつ交互に積層したものである。例えば、p型のAlGaAsであってAlの含有率が異なる2種類の層を交互に積層したものを反射層２１として用いることができる。
　第１トンネル層１２１は基板１１よりもキャリア密度が高いn型半導体から成り、第２トンネル層１２２はp型クラッド層１３１よりもキャリア密度が高いp型半導体から成るという点は、第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０と同様である。本実施形態では、第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２の双方において、第１実施形態よりもキャリア密度が高いn型半導体（第１トンネル層１２１）及びp型半導体（第２トンネル層１２２）を用いる。基板１１及びp型クラッド層１３１の双方にGaAs又はAlGaAs（例えば、基板１１にn型のGaAs、p型クラッド層１３１にp型のAlGaAs）を用いる場合には、第１トンネル層１２１にn型のInGaAsを、第２トンネル層１２２にp型のInGaAsを、それぞれ好適に用いることができる。InGaAsは、GaAsやAlGaAsよりもバンドギャップが小さく、それによってキャリア密度を高くすることができる半導体である。
　第１電極２８１は基板１１の下面に、第２電極２８２はコンタクト層１７の上面に設けられている。第１電極２８１の面積は第２電極２８２よりも大きい。例えば、第１電極２８１は基板１１の下面全体に設け、第２電極２８２はコンタクト層１７の上面の中央付近にのみ設けるとよい。第２電極２８２の材料には２次元フォトニック結晶層１６で発振するレーザ光に関して透明なものを用いる。一方、第１電極２８１の材料はレーザ光に関して透明、不透明のいずれであるかを問わない。例えば、第１電極２８１の材料には金等の金属材料を、第２電極２８２の材料にはインジウム錫酸化物（ITO）を、それぞれ用いることができる。
(4) 第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザの動作
　第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ２０の動作を説明する。第１実施形態のものと同様に、第１電極２８１側が正、第２電極２８２側が負となる電圧を印加すると、第１電極２８１から正孔が、第２電極２８２から電子が注入され、活性層１４内において特定の発光波長帯の発光が生じる。その際、第１電極２８１の面積が第２電極２８２の面積よりも大きく、且つ、第１電極２８１と活性層１４の距離よりも第２電極２８２と活性層１４の距離の方が十分に小さいことにより、活性層１４では第１電極２８１よりも小さい領域内に電荷が集中的に注入され、活性層１４で生成される光の単位面積当たりの出力を大きくすることができる。活性層１４で生じた光は、２次元フォトニック結晶層１６において、異屈折率領域１６２の配置の周期長に対応した所定波長の光のみが増幅されてレーザ発振する。
　こうして生成されたレーザ光は、２次元フォトニック結晶層１６の上下両面からそれぞれ放出されるが、それらのうち第１電極２８１側に放出されたレーザ光は、反射層２１により反射され、第２トンネル層１２２及び第１トンネル層１２１内に侵入することなく第２電極２８２側に向かう。従って、レーザ光は、２次元フォトニック結晶層１６の上下両面のいずれから放出されたものも、コンタクト層１７の上面から直接又は第２電極１８２を透過して外部に出射する。
　第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ２０によれば、第１実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０と同様に、２次元フォトニック結晶層１６の母材１６１の材料にn型半導体を用いることにより、光の一部がフリーキャリア（電子）によって吸収されることを抑えることができ、レーザ発振の効率が低下することを抑えることができる。また、p型半導体から成る基板を用いる必要がなく、より安価であるn型半導体から成る基板１１を用いて材料コストを抑えることができる。さらに、基板１１とp型クラッド層１３１の間に第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２を設けることにより、母材１６１と基板１１の双方にn型半導体を用いつつ、母材１６１を活性層１４から見て基板１１の反対側に設けることができるため、２次元フォトニック結晶層１６の表面に生じる凹凸の影響を受けることなく、所期の特性を持つ活性層１４を容易に作製することができる。
　これら第１実施形態と同様の効果に加えて、第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ２０によれば、第２トンネル層１２２とp型クラッド層１３１の間に反射層２１を設けることにより、他の層よりもキャリア密度が高い第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２内にレーザ光が侵入することがなく、それら第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２においてレーザ光の一部が吸収されることを防ぐことができる。また、このようにレーザ光の吸収が防止されることから、第１トンネル層１２１及び第２トンネル層１２２の材料には、InGaAsのように、第１実施形態で用いられる材料よりもキャリア密度が高いものを用いることができ、それによって活性層１４に注入されるキャリア密度をより高く、さらにはレーザ光の強度をより高くすることができる。
　図５に、特許文献１の構造のデバイス（p型半導体から成る母材を用いる場合。以下、「比較例」とする。）と本発明の第２実施形態の構造のデバイス（n型半導体から成る母材を用いる場合。以下、「実施例」とする。）のそれぞれの光出力特性のシミュレーション結果を示している。前述のようにn型半導体（n型のGaAs）を用いることによってp型半導体（p型のGaAs）を用いる場合よりも光の吸収を1/3～1/5に抑えることができることから、吸収損失は比較例では5cm-1、実施例では比較例の1/5の1cm-1としてシミュレーションを行っている。また、この時、面内損失（面に平行な方向においてデバイス外側へ放射される損失）は比較例、実施例共に3cm-1とし、放射係数は比較例では12cm-1、実施例では8cm-1として計算している。損失の低減により、閾値電流密度が0.6kA・cm-2（比較例）から0.2 kA・cm-2（実施例）に低減され、発振閾値電流値が低下している。さらに、スロープ効率は比較例では0.79W/Aであるのに対して、実施例では0.88W/Aである。以上のように、実施例では損失の低減により、低閾値での発振及び高いスロープ効率での動作が可能となる。
(5) 第３実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ
　図６に、第３実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ３０の概略構成を示す。この２次元フォトニック結晶レーザ３０は、溝３２を備え、該溝３２の底面に第１電極３８１が設けられている点、及び、n型クラッド層１３２とコンタクト層１７の間に反射層３１が設けられている点が第１及び第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０及び２０と相違している。以下、第１及び第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０及び２０と同様の構成については説明を省略し、上記の相違点についてのみ説明する。
　溝３２は、コンタクト層１７の表面から反射層３１、n型クラッド層１３２、２次元フォトニック結晶層１６、キャリアブロック層１５、活性層１４、p型クラッド層１３１、第２トンネル層１２２及び第１トンネル層１２１を貫き、基板１１の上面と下面の間の位置まで掘り下げられている。２次元フォトニック結晶層１６（コンタクト層１７等の他の層も同様）に平行な断面での溝３２の形状（平面形状）は枠状である。この溝３２の底面に設けられた第１電極３８１の形状は、溝３２の平面形状と同様の枠状であって、第１実施形態における第１電極１８１の枠部１８１１の形状に類似している。このように第１電極３８１が溝３２の底面に設けられていることにより、第１電極３８１の上下方向の位置は基板１１の上面と下面の間の位置となっている。
　反射層３１は、上述のようにn型クラッド層１３２とコンタクト層１７の間に設けられている。反射層３１には、第２実施形態における反射層２１と同様に、DBRから成るものを用いることができる。
　第３実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ３０によれば、基板１１の上面と下面の間の位置に底面を有する溝３２の該底面に第１電極３８１を設けることにより、基板１１の下面に第１電極１８１を設けた第１実施形態の場合よりも、第１電極３８１と活性層１４の間の電気抵抗が小さくなる。これにより、電荷をより効率的に活性層１４に供給することができる。
　また、第３実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ３０によれば、第１電極３８１の平面形状が枠状であるため、レーザ光は第１電極３８１の枠内を通過して基板１１の表面から外部に出射する。そのため、第１電極３８１によってレーザ光の出射が妨げられることや不要な回折を生じさせることを抑えることができる。
　さらに、第３実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ３０は、以下の点において作製も容易になる。第１及び第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０及び２０では、基板１１の上面に第２トンネル層１２２等の各層を作製し、下面に第１電極１８１、２８１を作製するため、上記各層を作製するときと第１電極１８１、２８１を作製するときの間に基板１１の上下を反転させる必要がある。それに対して第３実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ３０では、基板１１の上面に第２トンネル層１２２等の各層と第１電極３８１の双方を作製するため、基板１１の上下を反転させる必要がなく、製造が容易になる。
　以上、本発明に係る2つの実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されず、本発明の主旨の範囲内で種々の変形が可能である。
　例えば、上記各実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ１０では母材１６１の材料にn型半導体を用いたが、フリーキャリアによる光の吸収損失をより一層抑えるために、図７(a)に示すように、２次元フォトニック結晶層１６Ａの母材１６１Ａの材料にキャリアドープされていない半導体（図中に「i」と記載）を用いてもよい。あるいは、第２電極１８２側から活性層１４側に電流が流れやすくするために、図７(b)に示すように、２次元フォトニック結晶層１６Ｂの母材１６１Ｂの一部１６１１（一例では面積比で3割）にn型半導体を用いると共に、残りの部分１６１２（上記の一例では面積比で7割）にキャリアドープされていない半導体を用いるようにしてもよい。
　第２実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ２０では第１電極２８１よりも面積が小さい第２電極２８２をコンタクト層１７の上面の中央付近に設けたが、その代わりに、第１実施形態における第１電極１８１と同様の枠部及び窓部を有する窓状電極を第２電極としてコンタクト層１７の上面に設けてもよい。一般的に、第２実施形態の第１電極２８１のように一方の電極に基板全体を覆う電極を設けた場合には、他方の電極に窓状電極を設けると２次元フォトニック結晶層の中央付近に電荷を供給し難くなる。しかし、第２実施形態のように、第２電極２８２と２次元フォトニック結晶層１６の間に設けられるクラッド層（n型クラッド層１３２）やコンタクト層１７にn型半導体を用いることにより、電荷（電子）の移動度を高くすることができるため、第２電極２８２に窓状電極を用いても２次元フォトニック結晶層１６の中央付近に電荷を供給することができる。
　第３実施形態の２次元フォトニック結晶レーザ３０では、溝３２の底面に第１電極３８１を設けると共に、n型クラッド層１３２とコンタクト層１７の間に反射層３１を設けたが、溝３２の底面に第１電極３８１を設けたうえで反射層３１の代わりに第２トンネル層１２２とp型クラッド層１３１の間に反射層２１を設けてもよい。あるいは、n型クラッド層１３２とコンタクト層１７の間に反射層３１を設けたうえで、溝３２及び該溝３２の底面の第１電極３８１を設けることなく、基板１１の下面に第１電極１８１を設けてもよい。
　その他、上記各実施形態及び変形例の２次元フォトニック結晶レーザの構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１０、２０、３０…２次元フォトニック結晶レーザ
１１…基板
１２１…第１トンネル層
１２２…第２トンネル層
１３１…p型クラッド層
１３２…n型クラッド層
１４…活性層
１５…キャリアブロック層
１６、１６Ａ、１６Ｂ…２次元フォトニック結晶層
１６１、１６１Ａ、１６１Ｂ…母材
１６１１…母材の一部
１６１２…母材の一部１６１１以外の部分
１６２…異屈折率領域
１７…コンタクト層
１８１、２８１、３８１…第１電極
１８１１…枠部
１８１２…窓部
１８２、２８２…第２電極
１９…電荷注入領域
２１、３１…反射層
３２…溝

Claims (6)

  1. 　a) n型半導体から成る基板と、
    　b) 前記基板の上側に設けられた、p型半導体から成るp型半導体層と、
    　c) 前記p型半導体層の上側に設けられた活性層と、
    　d) 前記活性層の上側に設けられた、n型半導体から成る板状の母材内に該母材とは屈折率が異なる材料から成る異屈折率領域が周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶層と、
    　e) 前記基板と前記p型半導体層の間に設けられた、前記基板よりもキャリア密度が高いn型半導体から成る第１トンネル層と、
    　f) 前記第１トンネル層と前記p型半導体層の間に該第１トンネル層と接して設けられた、前記p型半導体層よりもキャリア密度が高いp型半導体から成る第２トンネル層と、
    　g) 前記基板の下側又は前記基板内に設けられた第１電極と、
    　h) 前記２次元フォトニック結晶層の上側に設けられた第２電極と
    を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶レーザ。
  2. 　さらに、前記第２トンネル層と前記p型半導体層の間に、前記２次元フォトニック結晶層で生成されるレーザ光を反射する反射層を備える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レーザ。
  3. 　さらに、前記２次元フォトニック結晶層と前記第２電極の間に、前記２次元フォトニック結晶層で生成されるレーザ光を反射する反射層を備える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レーザ。
  4. 　さらに、前記２次元フォトニック結晶レーザの上側の表面から設けられ、前記基板の上面と下面の間の位置に底面を有し、前記２次元フォトニック結晶層に平行な断面における形状が枠状である溝を備え、
    　前記第１電極が前記溝の底面に設けられている
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
  5. 　前記基板及び前記２次元フォトニック結晶層の母材の材料がn型のGaAs又はn型のAlGaAsであり、
    　前記p型半導体層の材料がp型のGaAs又はp型のAlGaAsであり、
    　前記第１トンネル層の材料がn型のInGaAsであり、
    　前記第２トンネル層の材料がp型のInGaAsである
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
  6. 　前記母材の全体又は一部が、n型半導体の代わりにキャリアドープされていない半導体から成ることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
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