JP5020866B2 - 垂直共振器型面発光レーザ - Google Patents
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Description
本発明は、垂直共振器型面発光レーザに関するものである。
面発光レーザの一つの構成として、活性領域の両側を二つの反射鏡で挟み、基板面に垂直な方向に共振器を形成し、基板面から垂直方向に光を出射する垂直共振器型面発光レーザが知られている。
この垂直共振器型面発光レーザは次のような多くの利点を有していることから盛んに研究されている。
すなわち、この面発光レーザは低閾値、低消費電力であり、またスポット形状が円形で光学素子とのカップリングが容易であり、アレイ化が可能である、等の多くの利点を有している。
この垂直共振器型面発光レーザは次のような多くの利点を有していることから盛んに研究されている。
すなわち、この面発光レーザは低閾値、低消費電力であり、またスポット形状が円形で光学素子とのカップリングが容易であり、アレイ化が可能である、等の多くの利点を有している。
しかしながら、一方ではこの面発光レーザは、活性領域が小さいため発振に必要な利得が稼ぎ難い。
そのため、共振器を構成する一対の分布ブラッグ反射ミラー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、これをＤＢＲミラーと記述する。）に、９９％以上の高反射率が必要となる。
これを実現するためには、半導体ミラーの場合、数十層の積層膜が必要となる。この積層膜の層厚のために、共振器中に熱がこもりやすくなり、また閾値が大きくなる等の問題点を有しており、あるいは電気抵抗が増加し電流注入が困難になる等の問題点を有している。
そのため、共振器を構成する一対の分布ブラッグ反射ミラー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、これをＤＢＲミラーと記述する。）に、９９％以上の高反射率が必要となる。
これを実現するためには、半導体ミラーの場合、数十層の積層膜が必要となる。この積層膜の層厚のために、共振器中に熱がこもりやすくなり、また閾値が大きくなる等の問題点を有しており、あるいは電気抵抗が増加し電流注入が困難になる等の問題点を有している。
このようなＤＢＲに替わり得る共振器ミラーとして、非特許文献１ではスラブ型二次元フォトニック結晶をミラーとして用いた場合の、反射光及び透過光の波長依存性等について報告されている。
ここでフォトニック結晶とは、人工的に光の波長程度の屈折率変調を設けた構造、すなわち互いに屈折率の異なる媒質同士が周期性を持って配列された屈折率周期構造である。
上記非特許文献１では、二次元フォトニック結晶として、高屈折率を有する材料に空孔を周期的に設けてエアーホール（空孔）型二次元フォトニック結晶が構成される。
そして、この二次元フォトニック結晶の平面に、それと略垂直な方向から光を入射させると、所定の周波数の光は、ほぼ１００％の効率で反射されることが報告されている。
ここでフォトニック結晶とは、人工的に光の波長程度の屈折率変調を設けた構造、すなわち互いに屈折率の異なる媒質同士が周期性を持って配列された屈折率周期構造である。
上記非特許文献１では、二次元フォトニック結晶として、高屈折率を有する材料に空孔を周期的に設けてエアーホール（空孔）型二次元フォトニック結晶が構成される。
そして、この二次元フォトニック結晶の平面に、それと略垂直な方向から光を入射させると、所定の周波数の光は、ほぼ１００％の効率で反射されることが報告されている。
垂直共振器型面発光レーザの反射ミラーとして、このような二次元（または一次元）フォトニック結晶を光の共振方向に対して垂直な配置で用いることにより、この反射ミラーを非常に薄い膜で構成することができる。
すなわち、従来数μｍ程度の厚い多層膜で構成していた反射鏡を、数十から数百ｎｍオーダーの非常に薄い膜で構成することができる。
そのため、反射鏡の層厚による排熱の困難さ、電気抵抗などの問題を低減することができる。
以下において、このような反射ミラーをフォトニック結晶ミラーと記述する。
すなわち、従来数μｍ程度の厚い多層膜で構成していた反射鏡を、数十から数百ｎｍオーダーの非常に薄い膜で構成することができる。
そのため、反射鏡の層厚による排熱の困難さ、電気抵抗などの問題を低減することができる。
以下において、このような反射ミラーをフォトニック結晶ミラーと記述する。
非特許文献２には、上記一次元フォトニック結晶ミラーを実際の面発光レーザデバイスとし、ＤＢＲミラーと組み合わせて共振器を構成した面発光レーザ構造の数値計算例が開示されている。
具体的には、図２に示すように、屈折率周期構造を形成した層（コア層）の上下の層（クラッド層）を空気の層であるとして計算されている。
図２の下側の領域２０６は、エアーギャップ層と言われる。図２において、２００は半導体基板、２０２はＤＢＲミラー、２０４は活性層、２０６はエアーギャップ層（クラッド層）、２０８はフォトニック結晶ミラー（コア層）及び２１０は空孔である。
Ｖ．Ｌｏｕｓｓｅ ｅｔ ａｌ．：Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １２（２００４）１５７５ Ｈ．Ｔ．Ｈａｔｔｏｒｉ ｅｔ ａｌ．：Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（２００３）１７９９
具体的には、図２に示すように、屈折率周期構造を形成した層（コア層）の上下の層（クラッド層）を空気の層であるとして計算されている。
図２の下側の領域２０６は、エアーギャップ層と言われる。図２において、２００は半導体基板、２０２はＤＢＲミラー、２０４は活性層、２０６はエアーギャップ層（クラッド層）、２０８はフォトニック結晶ミラー（コア層）及び２１０は空孔である。
Ｖ．Ｌｏｕｓｓｅ ｅｔ ａｌ．：Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １２（２００４）１５７５ Ｈ．Ｔ．Ｈａｔｔｏｒｉ ｅｔ ａｌ．：Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（２００３）１７９９
しかしながら、図２に示される非特許文献２における素子の構成では、電流注入により駆動する際に、フォトニック結晶ミラー直下には空気の層があるため、このフォトニック結晶ミラー直下の活性領域には、キャリアを注入することが困難となる。
本発明は、上記課題に鑑み、面発光レーザの反射ミラーをフォトニック結晶ミラーで構成するに際し、このフォトニック結晶ミラー直下の活性領域にキャリアを効率的に注入することが可能となる垂直共振器型面発光レーザを提供することを目的とする。
本発明は、以下のように構成した垂直共振器型面発光レーザを提供するものである。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に、下部ミラーを構成する第１の反射ミラーと、上部ミラーを構成する第２の反射ミラーと、これらの反射ミラー間に設けられた活性層と、を有する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記第２の反射ミラーは、導電性を有する第１の媒質と、該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質とによる、前記基板の面内方向に周期的に配列された屈折率周期構造を備え、
前記屈折率周期構造の下部側には、前記第１の媒質よりも屈折率が低い第３の媒質による層状構造が前記第１の媒質内に埋め込まれていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第１の媒質及び第２の媒質が、前記活性層より発光される光に対して透明である材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、前記第１の媒質よりも、１割以上屈折率が低い材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、前記活性層より発光される光に対して透明である材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、絶縁体である材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第１の媒質の下に設けられている絶縁体と、前記第３の媒質により電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第１の媒質が、ＩＴＯにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、酸化シリコンにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記屈折率周期構造が、該屈折率周期構造中に周期を乱す部位を備えていることを特徴とする。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に、下部ミラーを構成する第１の反射ミラーと、上部ミラーを構成する第２の反射ミラーと、これらの反射ミラー間に設けられた活性層と、を有する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記第２の反射ミラーは、導電性を有する第１の媒質と、該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質とによる、前記基板の面内方向に周期的に配列された屈折率周期構造を備え、
前記屈折率周期構造の下部側には、前記第１の媒質よりも屈折率が低い第３の媒質による層状構造が前記第１の媒質内に埋め込まれていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第１の媒質及び第２の媒質が、前記活性層より発光される光に対して透明である材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、前記第１の媒質よりも、１割以上屈折率が低い材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、前記活性層より発光される光に対して透明である材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、絶縁体である材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第１の媒質の下に設けられている絶縁体と、前記第３の媒質により電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第１の媒質が、ＩＴＯにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第３の媒質が、酸化シリコンにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記屈折率周期構造が、該屈折率周期構造中に周期を乱す部位を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、面発光レーザの反射ミラーをフォトニック結晶ミラーで構成するに際し、このフォトニック結晶ミラー直下の活性領域にキャリアを効率的に注入することが可能となる垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。
次に、本発明の実施の形態における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図１に、本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの模式的断面図を示す。
図１において、１００は基板、１０２は第１の反射ミラー、１０４は第１のクラッド層、１０６は活性層、１０８は第２のクラッド層、１１０は絶縁層（電流狭窄層）、１１２は第２の反射ミラー、１１４は第１の電極及び１１６は第２の電極である。
図１に、本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの模式的断面図を示す。
図１において、１００は基板、１０２は第１の反射ミラー、１０４は第１のクラッド層、１０６は活性層、１０８は第２のクラッド層、１１０は絶縁層（電流狭窄層）、１１２は第２の反射ミラー、１１４は第１の電極及び１１６は第２の電極である。
本実施の形態の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に、下部ミラーを構成する第１の反射ミラー１０２と、上部ミラーを構成する第２の反射ミラー１１２と、これらの反射ミラー間に設けられた活性層１０６と、を備えている。
また、前記第２の反射ミラー１１２は、つぎのようなスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーによって構成されている。
すなわち、第２の反射ミラー１１２は、導電性を有する第１の媒質１１００と、該第１の媒質よりも屈折率の低い第２の媒質１１０２とからなる屈折率周期構造（フォトニック結晶構造）を備えている。この第２の媒質１１０２は、基板の面内方向に対して周期的に配列されている。
このように本発明に係る実施形態では、第２の反射ミラー１１２が導電性を有する媒質により構成されているため、キャリア注入を容易に行うことができる。
そして、前記屈折率周期構造の下部側には、該第１の媒質よりも屈折率が低い第３の媒質１１０４による層状構造が、第１の媒質内に埋め込まれるように配置されている。
第３の媒質１１０４の屈折率は第１の媒質１１００よりも低いため、屈折率周期構造に光が閉じ込められる構成となっている。すなわち、屈折率周期構造がコア層として機能し、第３の媒質１１０４がクラッド層として機能する。
また、屈折率周期構造を構成する第３の媒質は、光を閉じ込める目的から、前記第１の媒質よりも、１割以上屈折率が低い材料によって構成されていることが望ましい。
第１の媒質１１００は、前記活性層１０６より発光される光に対して透明で導電性を有する材料によって構成される。この第１の媒質１１００としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、酸化錫、酸化亜鉛等が挙げられる。
また、第２の媒質１１０２は、前記活性層１０６より発光される光に対して透明な材料によって構成される。この第２の媒質１１０２としては、空気（空孔）が挙げられる。また、第２の媒質１１０２として、窒化シリコンやフッ化マグネシウム等で埋め込んでもよい。
なお、第２の媒質１１０２は、導電性を有する材料からなるものであっても良い。この場合、第１の媒質より注入されたキャリアが、第２の媒質を介して半導体層に注入することも可能となり、より効率の良いキャリア注入が可能となる。
また、第３の媒質１１０４は、前記活性層１０６より発光される光に対して透明な材料によって構成される。第３の媒質１１０４としては、導電体の材料であってもよいし、絶縁体の材料であってもよい。
この第３の媒質１１０４としては、酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化マグネシウム、酸化錫等が挙げられる。
また、前記第２の反射ミラー１１２は、つぎのようなスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーによって構成されている。
すなわち、第２の反射ミラー１１２は、導電性を有する第１の媒質１１００と、該第１の媒質よりも屈折率の低い第２の媒質１１０２とからなる屈折率周期構造（フォトニック結晶構造）を備えている。この第２の媒質１１０２は、基板の面内方向に対して周期的に配列されている。
このように本発明に係る実施形態では、第２の反射ミラー１１２が導電性を有する媒質により構成されているため、キャリア注入を容易に行うことができる。
そして、前記屈折率周期構造の下部側には、該第１の媒質よりも屈折率が低い第３の媒質１１０４による層状構造が、第１の媒質内に埋め込まれるように配置されている。
第３の媒質１１０４の屈折率は第１の媒質１１００よりも低いため、屈折率周期構造に光が閉じ込められる構成となっている。すなわち、屈折率周期構造がコア層として機能し、第３の媒質１１０４がクラッド層として機能する。
また、屈折率周期構造を構成する第３の媒質は、光を閉じ込める目的から、前記第１の媒質よりも、１割以上屈折率が低い材料によって構成されていることが望ましい。
第１の媒質１１００は、前記活性層１０６より発光される光に対して透明で導電性を有する材料によって構成される。この第１の媒質１１００としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、酸化錫、酸化亜鉛等が挙げられる。
また、第２の媒質１１０２は、前記活性層１０６より発光される光に対して透明な材料によって構成される。この第２の媒質１１０２としては、空気（空孔）が挙げられる。また、第２の媒質１１０２として、窒化シリコンやフッ化マグネシウム等で埋め込んでもよい。
なお、第２の媒質１１０２は、導電性を有する材料からなるものであっても良い。この場合、第１の媒質より注入されたキャリアが、第２の媒質を介して半導体層に注入することも可能となり、より効率の良いキャリア注入が可能となる。
また、第３の媒質１１０４は、前記活性層１０６より発光される光に対して透明な材料によって構成される。第３の媒質１１０４としては、導電体の材料であってもよいし、絶縁体の材料であってもよい。
この第３の媒質１１０４としては、酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化マグネシウム、酸化錫等が挙げられる。
次に、二次元フォトニック結晶スラブを反射ミラーとして適用する原理について説明する。
本実施の形態によるスラブ型二次元フォトニック結晶は、ＧＲ効果（Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ 効果）を利用しミラーとして機能している。
このＧＲ効果とは、スラブ型二次元フォトニック結晶に、スラブ面に垂直な方向から光を入射すると、所定の周波数の光がほぼ１００％の効率で反射されるというものである。
つまり、スラブ型二次元フォトニック結晶中を導波するモードが特定の放射モードと共鳴することにより生じるものである。
本実施の形態によるスラブ型二次元フォトニック結晶は、ＧＲ効果（Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ 効果）を利用しミラーとして機能している。
このＧＲ効果とは、スラブ型二次元フォトニック結晶に、スラブ面に垂直な方向から光を入射すると、所定の周波数の光がほぼ１００％の効率で反射されるというものである。
つまり、スラブ型二次元フォトニック結晶中を導波するモードが特定の放射モードと共鳴することにより生じるものである。
また、本実施例で形成した屈折率周期構造中の一部に、周期構造を乱す部位（欠陥）を導入した構成を採ることも可能である。
この欠陥の形成により、発振モード及び偏光モードを制御することが可能となる。
また、この構成においては、欠陥を導入することによりフォトニックバンド中に欠陥に起因した準位が形成され、二次元フォトニック結晶ミラーに入射した光が、欠陥準位に起因したモードのみで面内方向で共振し、単一モード化が図られる。
この単一モード化した光が、入射光側の垂直方向に出射され、活性層を挟むように形成した上下二つのミラー（少なくとも一方が欠陥を有したスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）間を共振し、最終的に面発光レーザとしてコヒーレントな光を出射する。
この時、空間的に局在した単一モード化した光が結合することにより、スポット径の大きい単一モード光を得ることが可能となる。
この欠陥の形成により、発振モード及び偏光モードを制御することが可能となる。
また、この構成においては、欠陥を導入することによりフォトニックバンド中に欠陥に起因した準位が形成され、二次元フォトニック結晶ミラーに入射した光が、欠陥準位に起因したモードのみで面内方向で共振し、単一モード化が図られる。
この単一モード化した光が、入射光側の垂直方向に出射され、活性層を挟むように形成した上下二つのミラー（少なくとも一方が欠陥を有したスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）間を共振し、最終的に面発光レーザとしてコヒーレントな光を出射する。
この時、空間的に局在した単一モード化した光が結合することにより、スポット径の大きい単一モード光を得ることが可能となる。
以上のような性質は、二次元フォトニック結晶だけではなく、一次元フォトニック結晶にも見られるものである。
二次元フォトニック結晶の構成は、高屈折率媒質に低屈折率媒質が周期的に配列されたものが一般的である。
この場合、低屈折率媒質が三角格子、四角格子、蜂の巣格子状に配列したものなどが報告されている。低屈折率媒質の周期や体積を変化させることで、ミラーの反射特性を制御することが可能である。
更に、フォトニック結晶の屈折率周期構造に垂直な方向の厚さを調整することによっても反射特性を制御することが可能である。
なお、この厚さは、フォトニック結晶中を二次元面内方向に伝搬する光の横モードが多モードとならないような厚さであることが好ましい。
また、先の記述において、低屈折率媒質と高屈折率媒質を入れ替えた構成とすることも可能である。
また、本実施の形態においては、前記第１の反射ミラーを分布ブラッグ反射鏡で構成、前記第２の反射ミラーを前記屈折率周期構造体による一次元又は二次元のスラブ型フォトニック結晶で構成する形態を採るようにしても良い。
二次元フォトニック結晶の構成は、高屈折率媒質に低屈折率媒質が周期的に配列されたものが一般的である。
この場合、低屈折率媒質が三角格子、四角格子、蜂の巣格子状に配列したものなどが報告されている。低屈折率媒質の周期や体積を変化させることで、ミラーの反射特性を制御することが可能である。
更に、フォトニック結晶の屈折率周期構造に垂直な方向の厚さを調整することによっても反射特性を制御することが可能である。
なお、この厚さは、フォトニック結晶中を二次元面内方向に伝搬する光の横モードが多モードとならないような厚さであることが好ましい。
また、先の記述において、低屈折率媒質と高屈折率媒質を入れ替えた構成とすることも可能である。
また、本実施の形態においては、前記第１の反射ミラーを分布ブラッグ反射鏡で構成、前記第２の反射ミラーを前記屈折率周期構造体による一次元又は二次元のスラブ型フォトニック結晶で構成する形態を採るようにしても良い。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［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垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図３に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。図３（ａ）は本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図を示している。
また、図３（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図を示している。
図３において、３００はサファイア基板、３０２はＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＤＢＲミラー、３０４はｎ型ＧａＮクラッド層、３０６はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層、３０８はｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層である。
３１０は酸化シリコン膜、３１２はスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー（３１００はＩＴＯ層、３１０２は空孔、３１０４は酸化シリコン層）、３１４はｎ側電極及び３１６はｐ側電極である。
［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垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図３に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。図３（ａ）は本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図を示している。
また、図３（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図を示している。
図３において、３００はサファイア基板、３０２はＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＤＢＲミラー、３０４はｎ型ＧａＮクラッド層、３０６はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層、３０８はｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層である。
３１０は酸化シリコン膜、３１２はスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー（３１００はＩＴＯ層、３１０２は空孔、３１０４は酸化シリコン層）、３１４はｎ側電極及び３１６はｐ側電極である。
本実施例の垂直共振器型面発光レーザにおいては、共振器中に形成される定在波の腹が、活性層位置及び各クラッド層と上下ミラー（ＤＢＲミラー及びスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）のそれぞれの境界で形成されるように作製した。
また、本実施例では、第１の反射ミラーを１／４波長厚の高屈折率媒質と１／４波長厚の低屈折率媒質を交互に積層したＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ／ＧａＮ（６０ペア） ＤＢＲミラーとした。
また、第２の反射ミラーを本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーとした。
また、本実施例では、第１の反射ミラーを１／４波長厚の高屈折率媒質と１／４波長厚の低屈折率媒質を交互に積層したＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ／ＧａＮ（６０ペア） ＤＢＲミラーとした。
また、第２の反射ミラーを本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーとした。
次に、本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーについて説明する。
基板上に成長した半導体積層構造の最上層に、透明導電膜であるＩＴＯ層３１００（屈折率：２．２）を成膜している。このＩＴＯ層３１００に空孔３１０２を形成することにより作製した屈折率周期構造が、ＩＴＯ層３１００の上面では空気に接するよう形成している。
また、屈折率周期構造の下面では、ＩＴＯ層より屈折率の小さい酸化シリコン層３１０４（屈折率：１．５）と接するように配置している。
このような構成をとることにより、屈折率周期構造を形成した層に効率良く光を導波させることが可能となる。
ここで、空孔３１０２は円柱形状であり、半径４０ｎｍ、深さ１３０ｎｍである。
また、空孔３１０２は三角格子配列とし、格子間隔は２４０ｎｍとした。
また、酸化シリコン層３１０４の厚さは１００ｎｍとした。
本実施例で形成した屈折率周期構造（フォトニック結晶）領域は、２０μｍの正方形状に形成されている。
本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶は上記したＧＲ効果を利用しミラーとして機能している。
基板上に成長した半導体積層構造の最上層に、透明導電膜であるＩＴＯ層３１００（屈折率：２．２）を成膜している。このＩＴＯ層３１００に空孔３１０２を形成することにより作製した屈折率周期構造が、ＩＴＯ層３１００の上面では空気に接するよう形成している。
また、屈折率周期構造の下面では、ＩＴＯ層より屈折率の小さい酸化シリコン層３１０４（屈折率：１．５）と接するように配置している。
このような構成をとることにより、屈折率周期構造を形成した層に効率良く光を導波させることが可能となる。
ここで、空孔３１０２は円柱形状であり、半径４０ｎｍ、深さ１３０ｎｍである。
また、空孔３１０２は三角格子配列とし、格子間隔は２４０ｎｍとした。
また、酸化シリコン層３１０４の厚さは１００ｎｍとした。
本実施例で形成した屈折率周期構造（フォトニック結晶）領域は、２０μｍの正方形状に形成されている。
本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶は上記したＧＲ効果を利用しミラーとして機能している。
本実施例においては、最上面のＩＴＯ層上に形成した屈折率周期構造（フォトニック結晶）の周囲にｐ側の電極３１６をリング状に形成している。
この電極３１６より注入されたキャリアが、ＩＴＯ層３１００を介して半導体層に注入され、活性層３０６にて発光する。
また、本実施例においては、第２の反射ミラー（スラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）とｐ型クラッド層（ｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）の間に酸化シリコン膜３１０を形成し、一部を除去することにより電流狭窄層を形成している。これにより、キャリアは酸化シリコン層３１０４と酸化シリコン膜３１０との間を通過し、活性層３０６の中央部に注入され、単一横モード発振しやすい構成が提供される。このような構成によれば、酸化狭窄構造を作製できないＧａＮ系のレーザにおいても、電流狭窄構造を形成することができる。
なお、本実施例ではＧａＮ系のレーザを想定しているが、ＧａＡｓ系のレーザ等に本発明を適用する場合、Ａｌ組成の多いＡｌＧａＡｓ等を水蒸気酸化することにより構成される酸化狭窄構造を用いて電流狭窄を行ってもよい。
この電極３１６より注入されたキャリアが、ＩＴＯ層３１００を介して半導体層に注入され、活性層３０６にて発光する。
また、本実施例においては、第２の反射ミラー（スラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）とｐ型クラッド層（ｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）の間に酸化シリコン膜３１０を形成し、一部を除去することにより電流狭窄層を形成している。これにより、キャリアは酸化シリコン層３１０４と酸化シリコン膜３１０との間を通過し、活性層３０６の中央部に注入され、単一横モード発振しやすい構成が提供される。このような構成によれば、酸化狭窄構造を作製できないＧａＮ系のレーザにおいても、電流狭窄構造を形成することができる。
なお、本実施例ではＧａＮ系のレーザを想定しているが、ＧａＡｓ系のレーザ等に本発明を適用する場合、Ａｌ組成の多いＡｌＧａＡｓ等を水蒸気酸化することにより構成される酸化狭窄構造を用いて電流狭窄を行ってもよい。
次に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの製造方法について説明する。
図４から図６に本実施例の上記面発光レーザの製造方法を説明する模式図を示す。
図４（ａ）から（ｃ）は垂直共振器型面発光レーザの製造方法の製造工程を説明する図である。
また、図５（ｄ）から（ｆ）は図４の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
また、図６（ｇ）から（ｉ）は図５の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
図４から図６に本実施例の上記面発光レーザの製造方法を説明する模式図を示す。
図４（ａ）から（ｃ）は垂直共振器型面発光レーザの製造方法の製造工程を説明する図である。
また、図５（ｄ）から（ｆ）は図４の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
また、図６（ｇ）から（ｉ）は図５の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
まず、図４（ａ）に示すように、ＧａＮ基板４００上にＭＯＣＶＤ装置により、バッファー層を介して、以下のように各層を成長させる。
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＤＢＲミラー層４０２、ｎ型ＧａＮクラッド層４０４、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ活性層４０６、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層４０８を成長させる。
本実施例では、上記各層をこのように成長させて半導体積層膜を構成する。
次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層上にレジストパターン４１０を形成する。
その後、図４（ｂ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、ｎ型ＧａＮクラッド層４０４が露出するまでドライエッチングし、２０μｍのポストを形成する。
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＤＢＲミラー層４０２、ｎ型ＧａＮクラッド層４０４、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ活性層４０６、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層４０８を成長させる。
本実施例では、上記各層をこのように成長させて半導体積層膜を構成する。
次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層上にレジストパターン４１０を形成する。
その後、図４（ｂ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、ｎ型ＧａＮクラッド層４０４が露出するまでドライエッチングし、２０μｍのポストを形成する。
次に、図４（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いて、保護層として酸化シリコン膜４１２を成膜する。その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、電流狭窄構造を形成する。
次に、図５（ｄ）に示すように、スパッタリング装置を用いて、ＩＴＯ膜を成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてポスト上にＩＴＯ層５００を形成する。
次に、図５（ｅ）に示すように、スパッタリング装置を用いて、酸化シリコン膜を成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてポスト上に形成したＩＴＯ層上に酸化シリコン層５０２を形成する。
次に、図５（ｆ）に示すように、スパッタリング装置を用いて、ＩＴＯ膜を成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてポスト上に形成した酸化シリコン層を覆うようにＩＴＯ層５０４を形成する。
次に、図６（ｇ）に示すように、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ＩＴＯ層５０４の上にレジストパターン６００を形成する。
次に、図５（ｄ）に示すように、スパッタリング装置を用いて、ＩＴＯ膜を成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてポスト上にＩＴＯ層５００を形成する。
次に、図５（ｅ）に示すように、スパッタリング装置を用いて、酸化シリコン膜を成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてポスト上に形成したＩＴＯ層上に酸化シリコン層５０２を形成する。
次に、図５（ｆ）に示すように、スパッタリング装置を用いて、ＩＴＯ膜を成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてポスト上に形成した酸化シリコン層を覆うようにＩＴＯ層５０４を形成する。
次に、図６（ｇ）に示すように、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ＩＴＯ層５０４の上にレジストパターン６００を形成する。
次に、図６（ｈ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、ＩＴＯ層５０４をエッチングする。この時、エッチング深さは、酸化シリコン層が露出するまで行う。
その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。この工程において、スラブ型二次元フォトニック結晶（円柱孔、三角格子配列）が形成される。
次に、図６（ｉ）に示すように、リフトオフ技術を用いて、ｎ型ＧａＮクラッド層上にＴｉ／Ａｌカソードを形成する。
同様に、ＩＴＯ層上にＡｕアノード６０２を形成する。
その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。この工程において、スラブ型二次元フォトニック結晶（円柱孔、三角格子配列）が形成される。
次に、図６（ｉ）に示すように、リフトオフ技術を用いて、ｎ型ＧａＮクラッド層上にＴｉ／Ａｌカソードを形成する。
同様に、ＩＴＯ層上にＡｕアノード６０２を形成する。
以上説明した工程により、垂直共振器を形成する反射ミラーとしてＤＢＲミラーとスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーを用いた構成の垂直共振器型面発光レーザを得ることができる。
本発明は、特に、電流注入が難しいとされているＩＩＩ族窒化物半導体を用いた垂直共振器型面発光レーザに有効な構成である。
もちろん、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体及びＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による垂直共振器型面発光レーザに適用することも可能である。
この構成により、従来の面発光レーザと比較して本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶をミラーとした垂直共振器型面発光レーザにおいては、単層で高反射率のミラーを形成することが可能となる。
また、本実施例によれば、素子の抵抗を小さくすることができるため、従来の面発光レーザと比較して、発振しきい値電流の小さな垂直共振器型面発光レーザを得ることができる。
本発明は、特に、電流注入が難しいとされているＩＩＩ族窒化物半導体を用いた垂直共振器型面発光レーザに有効な構成である。
もちろん、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体及びＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による垂直共振器型面発光レーザに適用することも可能である。
この構成により、従来の面発光レーザと比較して本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶をミラーとした垂直共振器型面発光レーザにおいては、単層で高反射率のミラーを形成することが可能となる。
また、本実施例によれば、素子の抵抗を小さくすることができるため、従来の面発光レーザと比較して、発振しきい値電流の小さな垂直共振器型面発光レーザを得ることができる。
本実施例では、円柱孔の周期を三角格子配列で配置したが、これに限定されるものではなく、正方格子、蜂の巣格子など任意の配列パターンで配列してもよい。また、円柱孔に限定されるものではなく楕円柱孔、四角柱孔、三角柱孔などであっても良い。
また、透明導電膜としてＩＴＯ層を用い、且つ低屈折率材料として導電性を有する材料、例えば酸化錫などを用いても良い。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング、アッシング及び蒸着に用いた手法（装置）は記述手法（装置）に限るものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる手法（装置）であっても良い。
また、透明導電膜としてＩＴＯ層を用い、且つ低屈折率材料として導電性を有する材料、例えば酸化錫などを用いても良い。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング、アッシング及び蒸着に用いた手法（装置）は記述手法（装置）に限るものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる手法（装置）であっても良い。
［実施例２］
本発明の実施例２における垂直共振器が多面発光レーザについて説明する。
図７に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を説明するための模式図を示す。
図７において、７００はサファイア基板、７０２はＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＤＢＲミラー、７０４はｎ型ＧａＮクラッド層、７０６はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層、７０８はｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層である。
７１０は酸化シリコン膜、７１２はスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー（７１００はＩＴＯ層、７１０２は空孔、７１０４は欠陥、７１０６は酸化シリコン層）、７１４はｎ側電極及び７１６はｐ側電極である。
本発明の実施例２における垂直共振器が多面発光レーザについて説明する。
図７に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を説明するための模式図を示す。
図７において、７００はサファイア基板、７０２はＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＤＢＲミラー、７０４はｎ型ＧａＮクラッド層、７０６はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層、７０８はｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮクラッド層である。
７１０は酸化シリコン膜、７１２はスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー（７１００はＩＴＯ層、７１０２は空孔、７１０４は欠陥、７１０６は酸化シリコン層）、７１４はｎ側電極及び７１６はｐ側電極である。
本実施例においては、スラブ型二次元フォトニック結晶ミラーの構成を除き、素子の基本的な構成は実施例１と同様である。
したがって、スラブ型二次元フォトニック結晶ミラーについてのみ、図７を用いて説明する。
本実施例のスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーは、実施例１と同様に、第１の媒質をＩＴＯ７１００、第２の媒質を空孔７１０２及び第３の媒質を酸化シリコン７１０６で構成している。
ここで、本実施例では、空孔（円柱孔）７１０２が三角格子配列で配置しているが、一部に周期を乱す部位、いわゆる欠陥７１０４を導入している。
したがって、スラブ型二次元フォトニック結晶ミラーについてのみ、図７を用いて説明する。
本実施例のスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーは、実施例１と同様に、第１の媒質をＩＴＯ７１００、第２の媒質を空孔７１０２及び第３の媒質を酸化シリコン７１０６で構成している。
ここで、本実施例では、空孔（円柱孔）７１０２が三角格子配列で配置しているが、一部に周期を乱す部位、いわゆる欠陥７１０４を導入している。
本実施例における素子の製造方法は、実施例１における製造方法とほぼ同様である。
異なる工程は、第１の媒質であるＩＴＯ層７１００に屈折率周期構造を形成する際に用いる電子ビームリソグラフィーパターンを変えることである。その他の工程は、基本的に実施例１と同様である。
本実施例においては、欠陥を導入することによりフォトニックバンド中に欠陥に起因した準位が形成され、二次元フォトニック結晶ミラーに入射した光が、欠陥準位に起因したモードのみで面内方向で共振し、単一モード化が図られる。
この単一モード化した光が、入射光側の垂直方向に出射され、活性層を挟むように形成した上下二つのミラー（少なくとも一方が欠陥を有したスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）間を共振し、最終的に面発光レーザとしてコヒーレントな光を出射する。
この時、空間的に局在した単一モード化した光が結合することにより、スポット径の大きい単一モード光を得ることが可能となる。
異なる工程は、第１の媒質であるＩＴＯ層７１００に屈折率周期構造を形成する際に用いる電子ビームリソグラフィーパターンを変えることである。その他の工程は、基本的に実施例１と同様である。
本実施例においては、欠陥を導入することによりフォトニックバンド中に欠陥に起因した準位が形成され、二次元フォトニック結晶ミラーに入射した光が、欠陥準位に起因したモードのみで面内方向で共振し、単一モード化が図られる。
この単一モード化した光が、入射光側の垂直方向に出射され、活性層を挟むように形成した上下二つのミラー（少なくとも一方が欠陥を有したスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）間を共振し、最終的に面発光レーザとしてコヒーレントな光を出射する。
この時、空間的に局在した単一モード化した光が結合することにより、スポット径の大きい単一モード光を得ることが可能となる。
欠陥の導入形態は、周期的に配置する場合、非周期的に配置する場合のいずれもとることができる。いずれの場合も、欠陥に局在した光が互いに結合しあえる距離であることが必要となり、２周期以上、１０周期以内が好ましい。
本実施例では、空孔の一部を取り除くことにより欠陥を形成したが、この方法に限定されるものではなく、空孔の径（円柱孔の直径）を変更（大きくする或いは小さくする）することにより欠陥を形成しても良い。
本実施例では、空孔の一部を取り除くことにより欠陥を形成したが、この方法に限定されるものではなく、空孔の径（円柱孔の直径）を変更（大きくする或いは小さくする）することにより欠陥を形成しても良い。
１００：基板
１０２：第１の反射ミラー
１０４：第１のクラッド層
１０６：活性層
１０８：第２のクラッド層
１１０：絶縁層（電流狭窄層）
１１２：第２の反射ミラー
１１４：第１の電極
１１６：第２の電極
１１００：第２の反射ミラーを構成する第１の媒質
１１０２：第２の反射ミラーを構成する第２の媒質
１１０４：第２の反射ミラーを構成する第３の媒質
１０２：第１の反射ミラー
１０４：第１のクラッド層
１０６：活性層
１０８：第２のクラッド層
１１０：絶縁層（電流狭窄層）
１１２：第２の反射ミラー
１１４：第１の電極
１１６：第２の電極
１１００：第２の反射ミラーを構成する第１の媒質
１１０２：第２の反射ミラーを構成する第２の媒質
１１０４：第２の反射ミラーを構成する第３の媒質
Claims (9)
- 基板上に、下部ミラーを構成する第１の反射ミラーと、上部ミラーを構成する第２の反射ミラーと、これらの反射ミラー間に設けられた活性層と、を有する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記第２の反射ミラーは、導電性を有する第１の媒質と、該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質とによる、前記基板の面内方向に周期的に配列された屈折率周期構造を備え、
前記屈折率周期構造の下部側には、前記第１の媒質よりも屈折率が低い第３の媒質による層状構造が前記第１の媒質内に埋め込まれていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。 - 前記第１の媒質及び第２の媒質は、前記活性層より発光される光に対して透明である材料によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記第３の媒質は、前記第１の媒質よりも、１割以上屈折率が低い材料によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記第３の媒質は、前記活性層より発光される光に対して透明である材料によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記第３の媒質は、絶縁体である材料によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記第１の媒質の下に設けられている絶縁体と、前記第３の媒質により電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記第１の媒質は、ＩＴＯにより構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記第３の媒質は、酸化シリコンにより構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記屈折率周期構造が、該屈折率周期構造中に周期を乱す部位を備えていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
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