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JP5015641B2 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ - Google Patents

２次元フォトニック結晶面発光レーザ Download PDF

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Description

本発明は、活性層と垂直な方向にレーザ光を放射する２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
面発光レーザは、基板面から垂直方向にレーザ光を出射するため、集積化（アレイ化）が可能な光源として期待されている。このような面発光レーザとして、２次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザがある。２次元フォトニック結晶は、誘電体からなる母材に、母材とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を周期的に設けることにより形成されたものである。このような周期構造により、２次元フォトニック結晶内ではブラッグ回折が起き、光（や電磁波）の伝導が不可能となるエネルギー領域（フォトニックバンドギャップ）が形成される。
例えば特許文献１に記載されている２次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に配置されたスラブ状の２次元フォトニック結晶を有している。この２次元フォトニック結晶では、活性層で発生する光の２次元フォトニック結晶内における波長と一致するように、異屈折率領域の周期が設定されている。このため、２次元フォトニック結晶内に２次元定在波が形成され、それにより光が増幅されてレーザ発振する。
２次元定在波が形成された２次元フォトニック結晶内の光は、その一部が２次元フォトニック結晶の側部から漏れ出す。これにより、エネルギー損失が生じて効率が低下したり、漏れ出した光が活性層に吸収されて熱を発生したりする。このため、レーザ発振に必要な電流の最小値（発振閾値）が大きくなる。
これに対して、特許文献２には、２次元フォトニック結晶の周囲に反射部を設けて側部から漏れる光を低減した２次元フォトニック結晶面発光レーザが記載されている。
特開2000-332351号公報（[0037]〜[0056］,図1） 特開2003-273456号公報（[0023]〜[0034］,図1〜図3）
特許文献２の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、半導体基板上に設けられた上下部クラッド層、これらクラッド層で挟まれた活性層、前記クラッド層或いは活性層に設けられた２次元フォトニック結晶を有して構成されている。前記反射部は、上部クラッド層から下部クラッド層まで延びる溝部や、回折格子或いは２次元フォトニック結晶としての空孔から構成されている。
前記溝部や空孔は、フォトリソグラフィ法や電子ビームリソグラフィ法等によって形成されるが、フォトニック結晶端からの距離によって光の反射波の位相が変化し、距離によっては性能が低下する可能性がある。このため、溝部や空孔を形成する際には、その距離を精度良く制御する必要があった。
本発明が解決しようとする課題は、光の利用効率が高く、しかも製造が容易な２次元フォトニック結晶面発光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面発光レーザは、
a) 半導体基板と、
b) この半導体基板上に設けられた活性層及び２次元フォトニック結晶層を有するレーザ本体と、
c) 前記レーザ本体の上面の一部を除く外面全体に設けられた絶縁膜と、
d) 金属薄膜から成り、前記絶縁膜を間に挟んで前記レーザ本体の外面全体に設けられ、レーザ本体の上面の前記一部に位置する反射膜が電極として機能する反射膜と、
を備えることを特徴とする。
本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、レーザ本体の外面全体に反射膜を設けたため、２次元フォトニック結晶の結晶端面から漏れ出す光はもちろん、活性層やクラッド層を伝導する光のうち基板と平行な方向に漏れ出す光をも低減することができる。特に、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶の結晶面面積を小さくすると、レーザ発振に必要な光の帰還効果が十分に得られないため、発振閾値が上昇するという問題があった。これに対して、本発明では、フォトニック結晶の小形化に伴う発振閾値の上昇を抑えることができるため、素子面積を小さくすることができ、高密度アレイ化に有利となる。
また、レーザ本体の外面全体を金属薄膜からなる反射部で覆うようにしたことにより、容易に反射部を形成することができ、安定した特性の２次元フォトニック結晶面発光レーザを得ることができる。
以下、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの具体的な実施形態について図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０は、n型半導体のガリウムヒ素(GaAs)から成る半導体基板１２と、その上に配置されたレーザ本体１４とから構成されている。前記レーザ本体１４は、半導体基板１２上に下部クラッド層１６、活性層１８、フォトニック結晶層２０、上部クラッド層２２、コンタクト層２４を順に堆積したもので、エッチングによりメサ構造に加工されている。下部クラッド層１６には、アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)から成るn型半導体が用いられている。上部クラッド層２２には、AlGaAsから成るｐ型半導体が用いられている。
活性層１８は、インジウム・ガリウム砒素(InGaAs）／ガリウム砒素(GaAs)から成り多重量子井戸構造(Multiple-Quantum Well; MQW)を有する半導体から構成されている。活性層１８はキャリア（電子及び正孔）が注入されると光を発生する。前記クラッド層１６，２２は、活性層１８に与えるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このため、クラッド層１６，２２は活性層１８を挟むように設けられている。
２次元フォトニック結晶層２０はスラブ状の母材に、それとは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を正方格子状に周期的に配置することにより形成されている。異屈折率領域の形状、部材は特に問わないが、本実施形態では円柱状の孔２０２から異屈折率領域が構成されている。
コンタクト層２４は、p型GaAsから成る半導体が用いられている。前記コンタクト層２４の上面には上部電極２６が、基板１２の下面には下部電極（図示せず）が設けられている。
半導体基板１２、クラッド層１６，２２は発光する光に透明である。従って、上記面発光レーザ１０は半導体基板１２の下面が光出射面となっている。
上記構成のレーザ本体１４は、その外周面全体が反射膜３０で覆われている。反射膜３０は、例えばスパッタ法でチタン-金(Ti-Au)薄膜を成膜したものである。尚、チタン-金薄膜は導電性を有するため、反射膜３０とレーザ本体１４との間には絶縁膜３２が介装されている。
本実施形態では、上部電極２６及び下部電極も反射膜３０と同様、スパッタ法にてチタン-金薄膜を成膜したものが用いられている。
本実施形態の面発光レーザ１０は、下部電極と上部電極２６との間に電圧が印加され両電極間に電流が流れると、素子内に導入された電子及び正孔が活性層１８で再結合して発光する。活性層１８で発光した光のうち特定波長の光は２次元フォトニック結晶層２０において定在波が形成されることにより増幅され、それによりレーザ発振して基板１２の下面から出射する。
このとき、レーザ本体１４の周囲部の全体に反射膜３０が設けられているため、活性層１８で発光した光や２次元フォトニック結晶層２０における定在波をレーザ本体１４内に閉じこめることができ、光の損失が抑えられる。
図２及び図３は、本実施形態の面発光レーザ１０及び反射膜を有さない面発光レーザ（比較例）について発振閾値とフォトニック結晶の一辺の長さ（レーザ本体の一辺の長さ）との関係を示す実験結果である。尚、図２(a)に示す面発光レーザでは、電極の一辺の長さを５０μmに設定し、図２(b)に示す面発光レーザでは、電極の一辺の長さをフォトニック結晶とほぼ同じ長さに設定している。また、図２(a),(b)には、孔の形状が真円のもの及び三角形のものの発振閾値を示している。一方、図３に示す比較例の面発光レーザでは、電極の一辺の長さを５０μmに設定し、フォトニック結晶の孔の形状を三角形としている。
図２及び図３に示すように、反射膜のない面発光レーザでは、フォトニック結晶の一辺の長さが小さくなるにつれて発振閾値が上昇する傾向を示し、特に、フォトニック結晶の一辺の長さが８０μmのときの発振閾値の上昇は顕著であった。これに対して、本実施形態の面発光レーザでは、フォトニック結晶の一辺の長さを小さくしても発振閾値が上昇することはなく両者の間に相関はみられなかった。
これは、反射膜を有する面発光レーザでは、フォトニック結晶の大きさに関係なく活性層で発光した光を効率よく利用できるためだと考えられ、従って、素子の小形化を図ることができる。
（第２の実施形態）
図４及び図５を用いて本発明の第２実施形態を説明する。図４は本実施形態に係る面発光レーザを示している。本実施形態の面発光レーザ１０は、レーザ本体１４の周囲部及び上面並びに基板１２の上面に反射膜３０が設けられている。前記反射膜３０は、第１の実施形態と同様、チタン-金薄膜から構成されている。
また、レーザ本体１４及び基板１２と反射膜３０との間のうちレーザ本体１４の上面の一部を除く部分には絶縁膜が３２設けられている。従って、レーザ本体１４の上面の一部では反射膜３０とレーザ本体１４は接しており、その他の部分では反射膜３０とレーザ本体１４との間に前記絶縁膜３２が介在している。レーザ本体１４の上面の一部に位置する反射膜３０は電極２６としても機能する。
このようにレーザ本体１４の上面に反射膜３０を設けたことにより、光の出射方向と逆方向に向かう光を反射してレーザ本体１４内に閉じ込めることができる。
図５(a)〜(e)は、本実施形態の面発光レーザ１０の製造工程を示している。まず、半導体基板１２上に下部クラッド層１６、活性層１８、フォトニック結晶層２０、上部クラッド層２２、コンタクト層２４を順に堆積し（図５(a)）、エッチングによりメサ構造を形成する（図５(b)）。これによりレーザ本体１４が形成される。
続いて、レーザ本体１４の周囲部及び上面並びに基板１２の上下面に絶縁膜３２を堆積し（図５(c)）、電極部分をパターニングする（図５(ｄ)）。そして、レーザ本体１４の周囲部及び上面並びに基板１２の上面にスパッタ法にてチタン-金薄膜を成膜し、反射膜３０及び上部電極２６を形成する（図５(e)）。
このように、本実施形態の面発光レーザ１０では、反射膜３０及び電極２６を一度に形成することができるため、製造工程が簡便になる。
尚、上記実施態様で挙げた活性層や２次元フォトニック結晶層等の各層の材料は一例に過ぎず、これらの層には従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源で用いられている種々の材料をそのまま用いることができる。
また、２次元フォトニック結晶層においては、母材とは屈折率が異なる部材を配置して異屈折率領域を構成しても良い。
反射膜は、誘電体多層膜（DBR）から構成することができる。誘電体多層膜は絶縁膜としても機能するため、反射膜とは別体の絶縁膜を設けなくても済む。
本発明の第１の実施形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す平面図（ａ）、縦断側面図（ｂ） 電極の一辺の長さを５μmとしたときの発振閾値とフォトニック結晶の一辺の長さとの関係を示す図（ａ）、電極の一辺の長さをフォトニック結晶とほぼ同じにしたときの発振閾値とフォトニック結晶の一辺の長さとの関係を示す図（ｂ） 反射膜を有しない面発光レーザの発振閾値とフォトニック結晶の一辺の長さとの関係を示す図 本発明の第２の実施形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す縦断側面図 製造工程を示す図
符号の説明
１０…２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１２…半導体基板
１４…レーザ本体
１６…下部クラッド層
１８…活性層
２０…２次元フォトニック結晶層
２２…上部クラッド層
２４…コンタクト層
２６…上部電極
３０…反射膜
３２…絶縁膜

Claims (2)

  1. a) 半導体基板と、
    b) この半導体基板上に設けられた活性層及び２次元フォトニック結晶層を有するレーザ本体と、
    c) 前記レーザ本体の上面の一部を除く外面全体に設けられた絶縁膜と、
    d) 金属薄膜から成り、前記絶縁膜を間に挟んで前記レーザ本体の外面全体に設けられ、レーザ本体の上面の前記一部に位置する反射膜が電極として機能する反射膜と、
    を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  2. 前記レーザ本体がメサ構造を有してい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面発光レーザ。
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