JP6513626B2 - Substrate with built-in photonic crystal, method of manufacturing the same, and surface emitting quantum cascade laser - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、フォトニック結晶内蔵基板およびその製造方法、並びに面発光量子カスケードレーザに関する。 Embodiments of the present invention relate to a photonic crystal embedded substrate and a method of manufacturing the same, and a surface emitting quantum cascade laser.
フォトニック結晶層を有するレーザは、活性層の上方に向かってレーザ光を放射できる。 A laser having a photonic crystal layer can emit laser light above the active layer.
半導体基板上に、活性層、フォトニック結晶層、上部クラッド層、コンタクト層、上部電極などをこの順序に形成することにより、面発光量子カスケードレーザを製造することができる。この場合、フォトニック結晶層は、二次元回折格子の格子点を構成する領域と、それを取り囲み異なる屈折率を有する領域と、を含む。 A surface emitting quantum cascade laser can be manufactured by forming an active layer, a photonic crystal layer, an upper cladding layer, a contact layer, an upper electrode, and the like in this order on a semiconductor substrate. In this case, the photonic crystal layer includes a region constituting a lattice point of the two-dimensional diffraction grating and a region surrounding it and a region having a different refractive index.
半導体層に微細加工プロセス用いて空孔を設け格子点を形成し、空孔を残しつつ上部クラッド層やコンタクト層などを結晶成長する面発光レーザの製造プロセスは、複雑であり歩留まりを高くすることは困難である。 The manufacturing process of the surface emitting laser which crystal-grows the upper clad layer, the contact layer, etc. while leaving the void by forming the void by using the microfabrication process in the semiconductor layer and forming the lattice point is complicated and the yield is increased. It is difficult.
偏光方向制御が容易な二次元回折格子が内蔵されたフォトニック結晶内蔵基板およびその製造方法、並びに量産性に富む面発光量子カスケードレーザを提供する。 Provided is a photonic crystal built-in substrate incorporating a two-dimensional diffraction grating easy to control the polarization direction, a method of manufacturing the same, and a mass-produced surface emitting quantum cascade laser.
実施形態は、サブバンド間光学遷移を生じる活性層を含む積層体が結晶成長されるフォトニック結晶内蔵基板の製造方法である。フォトニック結晶内蔵基板の製造方法は、化合物半導体基板の表面に、前記化合物半導体基板の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜をパターニングし二次元回折格子の格子点を構成する誘電体層を形成する工程であって、それぞれの誘電体層は前記二次元回折格子の辺のうちの少なくとも1つに関して非対称な形状を有するようにパターニングされる工程と、前記化合物半導体基板の前記表面および前記誘電体層に、前記化合物半導体基板の材料と格子整合可能な領域を表面の側に有する第1の半導体層を結晶成長する工程と、化学機械研磨プロセスを用いて前記第1の半導体層の前記領域を平坦化する工程と、を有する。平坦化された前記領域の面は、前記積層体の再成長開始面とされる。
The embodiment is a method of manufacturing a photonic crystal-embedded substrate in which a laminate including an active layer causing intersubband optical transition is crystal-grown. In the method of manufacturing a photonic crystal built-in substrate, a step of forming a dielectric film having a refractive index lower than that of the compound semiconductor substrate on the surface of a compound semiconductor substrate, patterning the dielectric film, and two-dimensional diffraction Forming dielectric layers constituting lattice points of the grating, each dielectric layer being patterned to have an asymmetric shape with respect to at least one of the sides of the two-dimensional diffraction grating; Crystal growth of a first semiconductor layer having a region lattice-matchable with the material of the compound semiconductor substrate on the surface side and the dielectric layer of the compound semiconductor substrate on the surface side, and a chemical mechanical polishing process And planarizing the region of the first semiconductor layer. The planarized surface of the region is the regrowth initiation surface of the stack .
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図1(a)は第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図、図1(b)は第1の実施形態に用いるフォトニック結晶内蔵基板の模式斜視図、である。
図1(b)に表すように、フォトニック結晶内蔵基板10は、化合物半導体基板20と、誘電体層31と、第1の半導体層40と、を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a schematic perspective view of a surface emitting quantum cascade laser according to the first embodiment, and FIG. 1B is a schematic perspective view of a photonic crystal built-in substrate used in the first embodiment.
As shown in FIG. 1B, the photonic crystal embedded substrate 10 includes a compound semiconductor substrate 20, a dielectric layer 31, and a first semiconductor layer 40.
誘電体層31は、化合物半導体基板20の表面に設けられ、二次元回折格子34の格子点にそれぞれ配置される。それぞれの誘電体層31は、二次元回折格子34の少なくとも1つの辺に関して非対称な形状を有する。かつ、化合物半導体基板20の屈折率よりも低い屈折率を有する。 The dielectric layer 31 is provided on the surface of the compound semiconductor substrate 20 and arranged at lattice points of the two-dimensional diffraction grating 34. Each dielectric layer 31 has an asymmetrical shape with respect to at least one side of the two-dimensional diffraction grating 34. Also, the refractive index is lower than the refractive index of the compound semiconductor substrate 20.
第1の半導体層40は、誘電体層31および化合物半導体基板20の表面を覆い、かつ平坦な第1の面40aを有する。第1の面40aを構成する層は化合物半導体基板20を構成する材料と格子整合可能な材料を含む。 The first semiconductor layer 40 covers the surfaces of the dielectric layer 31 and the compound semiconductor substrate 20, and has a flat first surface 40a. The layer constituting the first surface 40 a contains a material lattice-matchable with the material constituting the compound semiconductor substrate 20.
面発光量子カスケードレーザ5は、フォトニック結晶内蔵基板10と、活性層54と、を少なくとも含む。また、図1(a)に表すように、面発光量子カスケードレーザ5は、半導体積層体50、上部電極60、および下部電極62をさらに有しても良い。 The surface emitting quantum cascade laser 5 at least includes the photonic crystal embedded substrate 10 and the active layer 54. Further, as shown in FIG. 1A, the surface emitting quantum cascade laser 5 may further include a semiconductor stack 50, an upper electrode 60, and a lower electrode 62.
半導体積層体50は、フォトニック結晶内蔵基板10の側から、下部クラッド層52、活性層54、および上部クラッド層56などを有することができる。半導体積層体50は、フォトニック結晶内蔵基板10の第1の面40aの上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などを用いて成長される。この場合、平坦な第1の面40aを構成する層と、化合物半導体基板20を構成する材料と、を格子整合させると良好な結晶性を得ることができる。こののち、第1の面40aを構成する層に格子整合するように半導体積層体50を成長させることにより、結晶性の良好な面発光量子カスケードレーザ5が得られる。 The semiconductor stack 50 can have the lower cladding layer 52, the active layer 54, the upper cladding layer 56, and the like from the side of the photonic crystal embedded substrate 10 side. The semiconductor laminate 50 is grown on the first surface 40 a of the photonic crystal embedded substrate 10 by using MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, or the like. In this case, when the layer forming the flat first surface 40 a and the material forming the compound semiconductor substrate 20 are lattice matched, good crystallinity can be obtained. Thereafter, the semiconductor stack 50 is grown so as to be lattice-matched with the layer constituting the first surface 40a, whereby the surface-emitting quantum cascade laser 5 with good crystallinity can be obtained.
なお、本願明細書において、第1の面40aを構成する層の材料と化合物半導体基板20の材料とが格子整合するとは、化合物半導体基板20の格子定数に対する第1の面40aを構成する層の格子定数のずれが、±1%以内であるものとする。 In the specification of the present application, lattice matching of the material of the layer constituting the first surface 40 a and the material of the compound semiconductor substrate 20 means that the layer of the first surface 40 a with respect to the lattice constant of the compound semiconductor substrate 20. Deviation of lattice constant is within ± 1%.
活性層54は、第1の半導体層40の第1の面40a上に設けられ、サブバンド間光学遷移によりレーザ光70を放出可能である。それぞれの誘電体層31は二次元回折格子34の少なくとも1つの辺に関して非対称な形状を有し、かつ化合物半導体基板20の屈折率よりも低い屈折率を有する。レーザ光70は、所定方向に偏光が揃いかつ単一モードのTM(Transverse Magnetic)波として活性層54の表面に対して垂直方向に放出される。また、レーザ光70の波長は、たとえば、赤外線〜テラヘルツ波とする。 The active layer 54 is provided on the first surface 40 a of the first semiconductor layer 40, and can emit the laser light 70 by the intersubband optical transition. Each dielectric layer 31 has an asymmetrical shape with respect to at least one side of the two-dimensional diffraction grating 34 and has a refractive index lower than that of the compound semiconductor substrate 20. The laser light 70 is emitted in the direction perpendicular to the surface of the active layer 54 as a single mode TM (Transverse Magnetic) wave whose polarization is uniform in a predetermined direction. The wavelength of the laser beam 70 is, for example, infrared to terahertz wave.
第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザ(Surface Emitting Quantum Cascade Laser)5は、二次元回折格子を構成する空孔などの上方に上部クラッド層やコンタクト層を結晶成長する必要がない。このため、製造プロセスが容易となる。また、二次元回折格子の寸法精度を高めることができるので高品質のビームを得ることが容易となる。 In the surface emitting quantum cascade laser 5 according to the first embodiment, it is not necessary to crystal-grow the upper cladding layer or the contact layer above the holes and the like that constitute the two-dimensional diffraction grating. This facilitates the manufacturing process. In addition, since the dimensional accuracy of the two-dimensional diffraction grating can be enhanced, it becomes easy to obtain a high quality beam.
図2(a)〜(d)は、フォトニック結晶内蔵基板の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図2(a)は化合物半導体基板の模式斜視図、図2(b)は化合物半導体基板の上に誘電体膜を形成後の模式斜視図、図2(c)は誘電体膜をパターニング後の模式斜視図、図2(d)は第1の半導体層を結晶成長後の模式斜視図、である。
図2(a)に表す化合物半導体基板20は、InPやGaAsなどとすることができる。ウェーハ状態でその厚さは、100〜900μmなどとされる。
FIGS. 2A to 2D are schematic views illustrating a method of manufacturing a photonic crystal built-in substrate. 2 (a) is a schematic perspective view of a compound semiconductor substrate, FIG. 2 (b) is a schematic perspective view after forming a dielectric film on the compound semiconductor substrate, and FIG. 2 (c) is a dielectric film patterned FIG. 2D is a schematic perspective view of the first semiconductor layer after crystal growth.
The compound semiconductor substrate 20 shown in FIG. 2A can be InP, GaAs, or the like. The thickness of the wafer is, for example, 100 to 900 μm.
図2(b)に表すように、誘電体膜30は、化合物半導体基板20の表面20aに設けられ、窒化膜や酸化膜などとすることができる。窒化膜としてSi3N4など、酸化膜としてSiO2などとすることができる。誘電体膜30は、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタリング法、ECR(Electron Cyclotron Resonanse)スパッタリング法などを用いて形成できる。その厚さは、300nm〜1μmなどとする。たとえば、Si3N4の屈折率は約2.0、SiO2の屈折率は約1.43などである。化合物半導体基板20がInPを含む場合、誘電体膜30の屈折率はInPの屈折率(たとえば、約3.4)よりも低くされる。 As shown in FIG. 2B, the dielectric film 30 is provided on the surface 20a of the compound semiconductor substrate 20, and may be a nitride film, an oxide film, or the like. Si 3 N 4 or the like can be used as the nitride film, and SiO 2 or the like can be used as the oxide film. The dielectric film 30 can be formed, for example, using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a sputtering method, an ECR (Electron Cyclotron Resonanse) sputtering method, or the like. The thickness is, for example, 300 nm to 1 μm. For example, the refractive index of Si 3 N 4 is about 2.0, the refractive index of SiO 2 is about 1.43, and so on. When the compound semiconductor substrate 20 includes InP, the refractive index of the dielectric film 30 is lower than the refractive index of InP (for example, about 3.4).
誘電体膜30の上にフォトレジスト(図示せず)を塗布する。二次元回折格子のマスクパターンを用いて、フォトレジストを露光し、誘電体膜30の不要の部分を除去する。このようにして、図2(c)に表すように、二次元回折格子34を構成する誘電体層31が形成される。二次元回折格子34の構成例は後に詳細に説明する。誘電体膜30の不要部分は、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより容易に除去できる。 A photoresist (not shown) is applied on the dielectric film 30. The photoresist is exposed to remove unnecessary portions of the dielectric film 30 using a mask pattern of a two-dimensional diffraction grating. Thus, as shown in FIG. 2C, the dielectric layer 31 constituting the two-dimensional diffraction grating 34 is formed. An exemplary configuration of the two-dimensional diffraction grating 34 will be described in detail later. Unwanted portions of the dielectric film 30 can be easily removed by wet etching or dry etching.
図2(d)に表すように、誘電体層31および化合物半導体基板20上に、化合物半導体基板20の材料と格子整合可能な材料を含む第1の半導体層40を再成長し、第1の面40aを平坦かつ再成長可能な面とする。化合物半導体基板20をn形InPとすると、第1の半導体層40は、n形InPまたはInPに格子整合可能なn形InGaAsなどの材料とする。たとえば、露出している化合物半導体基板20の表面20aから、誘電体層31の高さまでn形InPを再成長し選択成長層40bとする。 As shown in FIG. 2D, on the dielectric layer 31 and the compound semiconductor substrate 20, the first semiconductor layer 40 containing a material lattice-matchable with the material of the compound semiconductor substrate 20 is regrown, and the first semiconductor layer 40 is formed. The surface 40a is a flat and regrowthable surface. When the compound semiconductor substrate 20 is n-type InP, the first semiconductor layer 40 is made of n-type InP or a material such as n-type InGaAs capable of lattice matching with InP. For example, n-type InP is regrown from the exposed surface 20 a of the compound semiconductor substrate 20 to the height of the dielectric layer 31 to form the selective growth layer 40 b.
図3(a)は第1の半導体層の結晶成長方向を説明する模式断面図、図3(b)は誘電体層と第1の半導体層との境界領域を説明する模式断面図、である。
図3(a)、(b)は、図2(d)においてA−A線に沿った模式断面図である。図3(a)において化合物半導体基板20の表面から結晶成長が開始され、さらに誘電体層31の間の化合物半導体基板20の領域から上方に向かって選択成長層40bが積層される。なお、結晶成長方向を矢印で表す。選択成長層40bの厚さが誘電体層31の高さに達すると、誘電体層31の表面に沿って横方向成長が進行する。誘電体層31の上面の中央部近傍には両側から横方向成長した領域がつながってドメインバウンダリー部40dが形成される。さらに結晶成長が進行する従って結晶性が良好となり、表面が平坦化されたオーバーグロース層40cが形成される。
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view illustrating the crystal growth direction of the first semiconductor layer, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view illustrating the boundary region between the dielectric layer and the first semiconductor layer. .
FIGS. 3A and 3B are schematic cross-sectional views taken along the line A-A in FIG. In FIG. 3A, crystal growth is started from the surface of the compound semiconductor substrate 20, and a selective growth layer 40b is stacked upward from the region of the compound semiconductor substrate 20 between the dielectric layers 31. The crystal growth direction is indicated by an arrow. When the thickness of the selective growth layer 40 b reaches the height of the dielectric layer 31, lateral growth proceeds along the surface of the dielectric layer 31. In the vicinity of the central portion of the top surface of the dielectric layer 31, the regions laterally grown from both sides are connected to form a domain boundary portion 40d. Furthermore, the crystal growth proceeds, so that the crystallinity becomes good, and an overgrown layer 40c whose surface is flattened is formed.
結晶成長後の表面に対して、研磨やCMP(Chemical and Mechanical Polishing)プロセスを行うとさらに平坦な表面となる。このため、活性層54を含む半導体積層体50を良好な結晶性を保ちつつ再成長できる。選択成長層40bとオーバーグロース層40cとを含む第1の半導体層40の厚さは、2μmなどとすることができる。 When the surface after crystal growth is subjected to polishing or CMP (Chemical and Mechanical Polishing) process, the surface becomes flatter. Thus, the semiconductor stack 50 including the active layer 54 can be regrown while maintaining good crystallinity. The thickness of the first semiconductor layer 40 including the selective growth layer 40 b and the overgrowth layer 40 c can be, for example, 2 μm.
また、誘電体層31が窒化シリコン層や酸化シリコン層であると、結晶成長プロセス中に熱分解されたSiが、第1の半導体層31に拡散する。この結果、第1の半導体層40は、誘電体層31に向かうにしたがってシリコン濃度が高くなる領域40eを有する。誘電体層31の表面から100nmの距離内には、たとえば、1015〜1018cm−2のSiがドープされる。 In addition, when the dielectric layer 31 is a silicon nitride layer or a silicon oxide layer, Si thermally decomposed during the crystal growth process is diffused into the first semiconductor layer 31. As a result, the first semiconductor layer 40 has a region 40 e in which the silicon concentration increases toward the dielectric layer 31. For example, 10 15 to 10 18 cm −2 of Si is doped within a distance of 100 nm from the surface of the dielectric layer 31.
図4(a)、(b)は、面発光量子カスケードレーザの製造方法を説明する模式図である。すなわち、図4(a)はフォトニック結晶内蔵基板の上に活性層を含む半導体積層体を結晶成長した模式斜視図、図4(b)は上部電極および下部電極を形成した面発光量子カスケードレーザの模式斜視図、である。 FIGS. 4A and 4B are schematic views illustrating a method of manufacturing a surface emitting quantum cascade laser. That is, FIG. 4A is a schematic perspective view of crystal growth of a semiconductor laminate including an active layer on a photonic crystal embedded substrate, and FIG. 4B is a surface emitting quantum cascade laser in which an upper electrode and a lower electrode are formed. It is a model perspective view of.
第1の半導体層40の第1の面40aに半導体積層体50をMOCVD法やMBE法などを用いて再成長する。半導体積層体50は、フォトニック結晶内蔵基板10の側から下部クラッド層52、活性層54,上部クラッド層56を少なくも有する。活性層54は、発光量子井戸層と注入量子井戸層とのペアを含む単位積層体が30〜200層などと積層された構造とされる。 The semiconductor stacked body 50 is regrown on the first surface 40 a of the first semiconductor layer 40 using the MOCVD method, the MBE method, or the like. The semiconductor laminate 50 has at least the lower cladding layer 52, the active layer 54, and the upper cladding layer 56 from the side of the photonic crystal embedded substrate 10 side. The active layer 54 has a structure in which a unit laminate including a pair of a light emitting quantum well layer and an injection quantum well layer is stacked with 30 to 200 layers or the like.
また、半導体積層体50は、下部クラッド層52と活性層54との間に設けられた下部光ガイド層(図示せず)、活性層54と上部クラッド層56との間に設けられた上部光ガイド層(図示せず)、および上部クラッド層56と上部電極60との間に設けられたコンタクト層(図示せず)などをさらに有することができる。下部電極62は、化合物半導体基板20の裏面20bに設けられる。 The semiconductor stack 50 also includes a lower light guide layer (not shown) provided between the lower cladding layer 52 and the active layer 54, and an upper light provided between the active layer 54 and the upper cladding layer 56. It can further include a guide layer (not shown), a contact layer (not shown) provided between the upper cladding layer 56 and the upper electrode 60, and the like. The lower electrode 62 is provided on the back surface 20 b of the compound semiconductor substrate 20.
キャリアが電子である場合、下部クラッド層52は、n形InP、n形InAlAs、n形InGaAsなどを含み、その厚さは2〜4μmなどとすることができる。また、上部クラッド層56は、n形InP、n形InAlAs、n形InGaAsなどを含み、その厚さは2〜4μmなどとすることができる。下部クラッド層52および上部クラッド層56は厚いので、第1の面40aを構成する層と格子整合されることが好ましい。 When the carrier is an electron, the lower cladding layer 52 contains n-type InP, n-type InAlAs, n-type InGaAs or the like, and its thickness can be 2 to 4 μm or the like. The upper cladding layer 56 contains n-type InP, n-type InAlAs, n-type InGaAs or the like, and its thickness can be 2 to 4 μm or the like. Because the lower cladding layer 52 and the upper cladding layer 56 are thick, they are preferably lattice matched with the layers that make up the first surface 40a.
活性層54を構成する量子井戸層は、たとえば、InGaAsを含む井戸層とInAlAsを含む障壁層とを含むことができる。発光量子井戸層と注入量子井戸層とをペアで含む単位積層体が積層された活性層54の厚さは、0.6〜4μmなどとすることができる。 The quantum well layer constituting the active layer 54 can include, for example, a well layer containing InGaAs and a barrier layer containing InAlAs. The thickness of the active layer 54 in which the unit stack including the light emitting quantum well layer and the injection quantum well layer is stacked can be 0.6 to 4 μm or the like.
また、活性層54を含む半導体積層体50は、フォトニック結晶内蔵基板20の裏面20bに再成長されても良い。この場合、図2(d)に表すオーバーグロース層40cの厚さを数百μmなどと厚くして機械的強度を高める。その後、化合物半導体基板20の裏面側を研磨などにより、数μm以下などと薄層化する。また、CMPプロセスなどを用いて薄層の表面を平坦化することができる。化合物半導体基板20の裏面20bに再成長された半導体積層体50は、より高い結晶性を有することができる。もとの化合物半導体基板20の厚さは数μm以下に薄くされるので、活性層54とフォトニック結晶との距離は短い。このため、フォトニック結晶による光共振が容易となる。 The semiconductor stack 50 including the active layer 54 may be regrown on the back surface 20 b of the photonic crystal embedded substrate 20. In this case, the thickness of the overgrowth layer 40c shown in FIG. 2D is increased to several hundred μm or the like to increase the mechanical strength. Thereafter, the back surface side of the compound semiconductor substrate 20 is thinned to, for example, several μm or less by polishing or the like. Also, the surface of the thin layer can be planarized using a CMP process or the like. The semiconductor stack 50 regrown on the back surface 20 b of the compound semiconductor substrate 20 can have higher crystallinity. Since the thickness of the original compound semiconductor substrate 20 is reduced to several μm or less, the distance between the active layer 54 and the photonic crystal is short. Therefore, optical resonance by the photonic crystal is facilitated.
図5(a)は比較例にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図、 図5(b)は二次元回折格子の比較例の模式平面図である。である。
図5(a)に表すように、比較例にかかる面発光量子カスケードレーザでは、基板120の上に、少なくとも下部クラッド層152、活性層154、フォトニック結晶層141がこの順に結晶成長される。フォトニック結晶層141には、活性層154に到達しないように空孔142が設けられる。空孔142は、二次元回折格子を構成する。空孔142の上には、たとえば、光ガイド層155、上部クラッド層156、コンタクト層157などが再成長される。
Fig.5 (a) is a model perspective view of the surface emitting quantum cascade laser concerning a comparative example, FIG.5 (b) is a model top view of the comparative example of a two-dimensional diffraction grating. It is.
As shown in FIG. 5A, in the surface emitting quantum cascade laser according to the comparative example, at least the lower cladding layer 152, the active layer 154, and the photonic crystal layer 141 are crystal-grown in this order on the substrate 120. The photonic crystal layer 141 is provided with the holes 142 so as not to reach the active layer 154. The holes 142 constitute a two-dimensional diffraction grating. For example, the light guide layer 155, the upper cladding layer 156, the contact layer 157, and the like are regrown on the holes 142.
比較例のフォトニック結晶の正方格子の格子点Gは、平面形状が円の低屈折率媒質(または空孔を含む)142で構成される。 The lattice point G of the square lattice of the photonic crystal of the comparative example is formed of a low refractive index medium (or including a hole) 142 whose plane shape is a circle.
比較例の場合、半導体からなるフォトニック結晶層141に対してサブミクロンオーダーの微細エッチング加工が必要である。その後に、空孔142を埋め込まないように、光ガイド層155、上部クラッド層156、およびコンタクト層157などを再成長しなければならない。このため、製造プロセスが複雑化し、高歩留まりにすることは容易ではない。 In the case of the comparative example, a submicron-order fine etching process is required for the semiconductor photonic crystal layer 141. Thereafter, the light guide layer 155, the upper cladding layer 156, the contact layer 157, etc. must be regrown so as not to fill the holes 142. For this reason, the manufacturing process is complicated and it is not easy to achieve high yield.
他方、空孔142をチップ上面に設ける構造では、回折格子の周期構造形状が設けられた面に上部電極160を形成する必要がある。この場合にも、製造プロセスが複雑化し、高歩留まりにすることは容易ではない。 On the other hand, in the structure in which the holes 142 are provided on the upper surface of the chip, it is necessary to form the upper electrode 160 on the surface provided with the periodic structure of the diffraction grating. Also in this case, the manufacturing process is complicated and it is not easy to achieve high yield.
これに対して、第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザ5では、フォトニック結晶層を予め化合物半導体基板20上に形成する。すなわち、二次元回折格子34を構成するのは空孔ではなく、パターニングされた窒化シリコンなどの誘電体層31である。微細加工により形成された誘電体層31の上に選択結晶成長を行うプロセスは、比較例における製造プロセスよりも容易であり、高歩留まりとすることができる。 On the other hand, in the surface emitting quantum cascade laser 5 according to the first embodiment, the photonic crystal layer is formed on the compound semiconductor substrate 20 in advance. That is, it is not the holes but the dielectric layer 31 such as patterned silicon nitride that constitutes the two-dimensional diffraction grating 34. The process of performing the selective crystal growth on the dielectric layer 31 formed by the microfabrication is easier than the manufacturing process in the comparative example, and can have a high yield.
次に、フォトニック結晶を構成する二次元回折格子について説明する。
図6は、第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの二次元回折格子の構成を説明する模式平面図である。
二次元回折格子34は、正方格子とし格子間隔をaで表す。格子点Gには、たとえば、平面形状が直角三角形である誘電体層31がそれぞれ配置される。本図では、直角三角形の重心が格子点G近傍となるように表されている。なお、三角形の形状は直角三角形に限定されない。
Next, a two-dimensional diffraction grating that constitutes a photonic crystal will be described.
FIG. 6 is a schematic plan view illustrating the configuration of the two-dimensional diffraction grating of the surface emitting quantum cascade laser according to the first embodiment.
The two-dimensional diffraction grating 34 is a square grating, and a grating interval is represented by a. At the lattice points G, for example, dielectric layers 31 whose plane shapes are right triangles are respectively arranged. In this figure, the center of gravity of the right triangle is represented in the vicinity of the lattice point G. The shape of the triangle is not limited to the right triangle.
図7(a)はフォトニック結晶のバンド図、図7(b)はレーザ発振モードの一例を説明するグラフ図、である。
図7(a)において、縦軸は光の周波数にa/cを乗じた相対規格化周波数、横軸は波数ベクトルを表す。なお、なお、aは格子定数、cは光速、である。波数ベクトルのΓ点には、光の群速度がゼロになる共振モードA、B、C、Dが存在する。
FIG. 7 (a) is a band diagram of a photonic crystal, and FIG. 7 (b) is a graph illustrating an example of a laser oscillation mode.
In FIG. 7A, the vertical axis represents the relative normalized frequency obtained by multiplying the frequency of light by a / c, and the horizontal axis represents a wave number vector. Here, a is a lattice constant and c is the speed of light. At the saddle point of the wave number vector, there exist resonance modes A, B, C, and D at which the group velocity of light becomes zero.
図7(b)において、縦軸は相対電界強度、横軸は規格化周波数、を表す。電界強度と垂直方向への光しみだし量とは略比例する。このため、相対電界強度(対数目盛)は、相対利得に対応するものと考えることができる。図6の回折格子を有する面発光量子カスケードレーザのシミュレーションによれば、波長が4747nmである共振モードBの相対電界強度が最も高く、光閉じ込め効果が高い。このため、Bモードで発振させることが好ましい。また、Aモードの相対電界強度もC、Dモードの相対電界強度よりも高いのでAモードを用いてもよい。 In FIG. 7B, the vertical axis represents relative electric field strength, and the horizontal axis represents normalized frequency. The electric field intensity and the amount of light bleeding in the vertical direction are substantially proportional. Thus, the relative field strength (log scale) can be considered to correspond to the relative gain. According to the simulation of the surface emitting quantum cascade laser having the diffraction grating of FIG. 6, the relative electric field strength of the resonant mode B having a wavelength of 4747 nm is the highest, and the light confinement effect is high. For this reason, it is preferable to oscillate in B mode. Further, since the relative electric field strength of the A mode is also higher than the relative electric field strength of the C and D modes, the A mode may be used.
図8は、格子間隔に対する真空内波長依存性を表すグラフ図である。
縦軸は真空内波長λ0,横軸は格子間隔a、である。発明者らのシミュレーションによれば、誘電体層31が窒化シリコン層を含み、その周囲がInPで囲まれている場合、発振波長λ0と格子間隔aとは、近似的に一次関数で表されることが判明した。その関係は、式(1)に表すことができる。
FIG. 8 is a graph showing the wavelength dependence in vacuum with respect to the lattice spacing.
The vertical axis is the wavelength λ 0 in vacuum, and the horizontal axis is the grating interval a. According to the inventors' simulation, when the dielectric layer 31 includes a silicon nitride layer and the periphery thereof is surrounded by InP, the oscillation wavelength λ 0 and the lattice spacing a are approximately represented by a linear function. It turned out that The relationship can be expressed by equation (1).
a(μm)=−0.0222+0.3121λ0 (1)
a (μm) =-0.0222 + 0.3121 λ 0 (1)
たとえば、格子間隔aが1.467μm、規格化周波数が0.30746の時、真空内波長λ0は4.7713となる。また、真空内波長λ0が70μm以上300μm以下のテラヘルツ波の場合でも、式(1)を適用することができる。なお、誘電体層31が、屈折率がn1の媒質内に埋め込まれている場合、媒質内波長λmは、式(2)で表される。 For example, when the lattice spacing a is 1.467 μm and the normalized frequency is 0.30746, the in-vacuum wavelength λ 0 is 4.7713. Further, the vacuum within the wavelength lambda 0 even if the following terahertz wave 300μm or 70 [mu] m, it is possible to apply the formula (1). The dielectric layer 31 is, the refractive index may be embedded in a medium of n 1, the medium wavelength lambda m, of the formula (2).
λm=λ0/n1 (2)
λ m = λ 0 / n 1 (2)
たとえば、媒質がInPである場合、屈折率n1は約3.4であるので媒質内波長λmは真空内よりも短縮される。 For example, when the medium is InP, the in-medium wavelength λ m is shorter than in vacuum because the refractive index n 1 is about 3.4.
比較例において、図5(b)に表すように、格子点Gの平面形状は円である。このため、格子点Gを構成する低屈折率層の形状は、正方格子の2つの辺EE、FFに関して対称性を有し光に対して等方的になる。このため、近視野電磁界分布は低屈折率層内で回転したり、放射状になったりすることがある。この場合、チップ上方に取り出される光の遠視野電磁界分布は、たとえば、Aモードにおいて上部電極160の周囲を回転し、Bモードにおいて上部電極160を中心に放射状となる。このため、チップ表面で偏光方向が一定の方向に揃わず、高出力化が困難である。 In the comparative example, as shown in FIG. 5B, the planar shape of the grid point G is a circle. Therefore, the shape of the low refractive index layer constituting the lattice point G is symmetrical with respect to the two sides EE and FF of the square lattice and isotropic with respect to light. For this reason, the near-field electromagnetic field distribution may rotate or be radial in the low refractive index layer. In this case, the far-field electromagnetic field distribution of light extracted above the chip rotates, for example, around the upper electrode 160 in the A mode, and radiates around the upper electrode 160 in the B mode. Therefore, the polarization direction is not aligned in a fixed direction on the chip surface, and it is difficult to achieve high output.
これに対して、第1の実施形態では、図6に表すように、直角を挟む2辺は正方格子の2つの辺E、Fにそれぞれ平行になっており、かつそれぞれの誘電体層31は、二次元回折格子34の辺E、Fに関して非対称な形状を有する。このような二次元回折格子34は、光学異方性を有する。 On the other hand, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, two sides sandwiching the right angle are parallel to the two sides E and F of the square lattice, and each dielectric layer 31 is , And has an asymmetrical shape with respect to sides E and F of the two-dimensional diffraction grating 34. Such a two-dimensional diffraction grating 34 has optical anisotropy.
図9(a)は第1の実施形態における格子点の形状を説明する模式斜視図、図9(b)はΓ点近傍における近視野の電場ベクトル分布を表す図、である。
図9(b)は、3D−FDTD(3次元時間領域有限差分)法を用いて解析した電場ベクトル分布(XY面内)である。XY平面において誘電体層31の領域内で非対称性による電界の偏り(領域内で積分するとゼロにはならない)があれば、Z軸方向に光がしみ出る。図9(a)に表すように、誘電体層31が2等辺直角三角形のときZ軸方向上方に放出される放射光の電場ベクトルをEVで表す。なお、誘電体層31の模式平面図を図9(b)に破線で表す。
FIG. 9A is a schematic perspective view for explaining the shape of the lattice points in the first embodiment, and FIG. 9B is a diagram showing the electric field vector distribution in the near field near the saddle point.
FIG. 9B is an electric field vector distribution (in the XY plane) analyzed using the 3D-FDTD (three-dimensional time domain finite difference) method. If there is a bias of the electric field due to asymmetry in the region of the dielectric layer 31 in the XY plane (it does not become zero when integrated in the region), light leaks in the Z-axis direction. As represented in FIG. 9 (a), represents the electric field vector of the radiation dielectric layer 31 is emitted in the Z-axis direction above when isosceles right triangle with E V. A schematic plan view of the dielectric layer 31 is indicated by a broken line in FIG.
図10は、第1の実施形態においてBモードに対応する電磁界を表す図である。
図10は、2D−FDTD(2次元時間領域有限差分)法を用いて解析したBモードの電場ベクトル分布(XY面内)である。量子カスケードレーザからのレーザ光70は、TM波である。このため、図10に表すように、磁場ベクトルHVの方向は、光学異方性により所定の方向に揃えられる。このため、面発光量子カスケードレーザ5は、直線偏光された磁場ベクトルHVを含むTM波をチップ上方に放出できる。この結果、チップサイズを大きくしても、安定した偏光方向を維持できるため、高出力レーザ光を得ることができる。
FIG. 10 is a diagram showing an electromagnetic field corresponding to the B mode in the first embodiment.
FIG. 10 is a B-mode electric field vector distribution (in the XY plane) analyzed using the 2D-FDTD (two-dimensional time domain finite difference) method. The laser beam 70 from the quantum cascade laser is a TM wave. Therefore, as shown in FIG. 10, the direction of the magnetic field vector H V is aligned with the predetermined direction by the optical anisotropy. For this reason, the surface emitting quantum cascade laser 5 can emit a TM wave including a linearly polarized magnetic field vector H V above the chip. As a result, even when the chip size is increased, the stable polarization direction can be maintained, so high-power laser light can be obtained.
図11(a)は、二次元回折格子の第1変形例の模式平面図、図11(b)は1チップの二次元回折格子の配列例を表す模式平面図、である。
図11(a)に表すように、二次元回折格子34は正方格子とする。誘電体層31の形状は、三角柱に限定されず、直角二等辺三角錘などとしてもよい。上部電極61は、たとえば、チップの上面に枠状に設けられる。(表1)は、チップ平面形状の数値例である。
FIG. 11A is a schematic plan view of a first modified example of the two-dimensional diffraction grating, and FIG. 11B is a schematic plan view showing an arrangement example of a two-dimensional diffraction grating of one chip.
As shown in FIG. 11A, the two-dimensional diffraction grating 34 is a square grating. The shape of the dielectric layer 31 is not limited to a triangular prism, and may be a right angled isosceles triangular weight or the like. The upper electrode 61 is provided, for example, in a frame shape on the upper surface of the chip. Table 1 is a numerical example of the chip planar shape.
(表1)において、波長は、4.1〜4.55μmとする。チップの辺長L1は、400μmなどとする。また、二次元回折格子34が設けられる領域の辺長L2は、260μmなどとする。格子間隔をa、誘電体層31の直角を挟む2辺の長さをB、ユニットの繰り返し回数をWとする。 In Table 1, the wavelength is 4.1 to 4.55 μm. The side length L1 of the chip is, for example, 400 μm. The side length L2 of the region where the two-dimensional diffraction grating 34 is provided is 260 μm or the like. The lattice spacing is a, the length of two sides of the dielectric layer 31 which sandwich the right angle is B, and the number of repetitions of the unit is W.
このようにすると、上部電極61による遮光を抑制することができる。このため、高い光出力が得られる。なお、図11(b)は中・遠赤外線波長帯の例であるが、テラヘルツ波長帯であってもよい。その場合、格子間隔は、たとえば、50μm以下とすることができる。 Thus, light shielding by the upper electrode 61 can be suppressed. Thus, high light output can be obtained. Although FIG. 11 (b) is an example of the middle and far infrared wavelength band, it may be a terahertz wavelength band. In that case, the lattice spacing can be, for example, 50 μm or less.
図12(a)は二次元回折格子の第2変形例の模式平面図、図12(b)は二次元回折格子の第3変形例の模式平面図、図12(c)は二次元回折格子の第4変形例の模式平面図、である。
図12(a)〜(c)には正方格子を例示するが、直交格子であってもよい。誘電体層31の形状は、いずれも正方格子の辺Fに関して非対称とする。図12(a)、(b)に表すように、誘電体層31は、二次元回折格子34の辺Fに関して非対称であれば形状は限定されない。たとえば、誘電体31の形状は、N角柱(但し、Nは奇数)などとすることができる。
12 (a) is a schematic plan view of a second modification of the two-dimensional diffraction grating, FIG. 12 (b) is a schematic plan view of a third modification of the two-dimensional diffraction grating, and FIG. 12 (c) is a two-dimensional diffraction grating It is a model top view of the 4th modification of.
Although a square lattice is illustrated in FIG. 12 (a)-(c), an orthogonal lattice may be sufficient. The shapes of the dielectric layers 31 are all asymmetric with respect to the side F of the square lattice. As shown in FIGS. 12A and 12B, the shape of the dielectric layer 31 is not limited as long as it is asymmetric with respect to the side F of the two-dimensional diffraction grating 34. For example, the shape of the dielectric 31 can be an N square prism (where N is an odd number).
また、図12(c)に表すように、誘電体層31は、2つの誘電体層31a、31bを含み、かつ二次元回折格子34の辺E、Fのうちの少なくともいずれかに関して非対称であってもよい。 Further, as shown in FIG. 12C, the dielectric layer 31 includes two dielectric layers 31a and 31b, and is asymmetric with respect to at least one of the sides E and F of the two-dimensional diffraction grating 34. May be
図13(a)、(b)は、三角格子をを含む二次元回折格子の模式辺面図である。
図13(a)では誘電体層31が三角柱であり、図13(b)では誘電体層31が2つの円柱(31a、31b)を含む。誘電体層31の平面形状は、三角格子の辺P、H、Iのうちの少なくともいずれかに関して非対称である。
FIGS. 13A and 13B are schematic side views of a two-dimensional diffraction grating including a triangular grating.
In FIG. 13A, the dielectric layer 31 is a triangular prism, and in FIG. 13B, the dielectric layer 31 includes two cylinders (31a and 31b). The planar shape of the dielectric layer 31 is asymmetric with respect to at least one of the sides P, H, and I of the triangular lattice.
本実施形態によれば、偏光方向制御が容易な二次元回折格子を含むフォトニック結晶内蔵基板およびその製造方法が提供される。また、TM波の偏光方向制御が可能でかつ量産性に富む面発光量子カスケードレーザが提供される。本実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザは、チップサイズを大きくしてもTM波の偏光方向が安定しているので高出力レーザ光を放出できる。このため、ガス分析、環境測定、レーザ加工などに広く用いることができる。 According to this embodiment, a photonic crystal built-in substrate including a two-dimensional diffraction grating whose polarization direction can be easily controlled and a method of manufacturing the same are provided. In addition, a surface-emitting quantum cascade laser capable of controlling the polarization direction of TM waves and having high mass productivity is provided. The surface emitting quantum cascade laser according to the present embodiment can emit high-power laser light because the polarization direction of the TM wave is stable even if the chip size is increased. Therefore, it can be widely used for gas analysis, environment measurement, laser processing, and the like.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While certain embodiments of the present invention have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
5 面発光量子カスケードレーザ、10 フォトニック結晶内蔵基板、20 化合物半導体基板、30 誘電体膜、31 誘電体層、31a、31b、31c (誘電体層の)側面、34 二次元回折格子、40 第1の半導体層、40a 第1の面、54 活性層、70 レーザ光、E、F (正方格子の)辺、H、I、P (三角格子の)辺、G 格子点、a 格子間隔
5 surface emitting quantum cascade laser, 10 photonic crystal built-in substrate, 20 compound semiconductor substrate, 30 dielectric film, 31 dielectric layer, 31a, 31b, 31c (of dielectric layer) side, 34 two-dimensional diffraction grating, 40th 1 semiconductor layer 40a first surface 54 active layer 70 laser light E, F (for square lattice) side H, I, P (for triangular lattice) side G lattice point, a lattice spacing
Claims (4)
化合物半導体基板の表面に、前記化合物半導体基板の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜をパターニングし二次元回折格子の格子点を構成する誘電体層を形成する工程であって、それぞれの誘電体層は前記二次元回折格子の辺のうちの少なくとも1つに関して非対称な形状を有するようにパターニングされる、工程と、
前記化合物半導体基板の前記表面および前記誘電体層に、前記化合物半導体基板の材料と格子整合可能な領域を表面の側に有する第1の半導体層を結晶成長する工程と、
化学機械研磨プロセスを用いて前記第1の半導体層の前記領域を平坦化する工程と、
を備え、
平坦化された前記領域の面は、前記積層体の再成長開始面とされる、フォトニック結晶内蔵基板の製造方法。 A method for producing a photonic crystal-embedded substrate, in which a laminate including an active layer causing an intersubband optical transition is crystal-grown.
Forming a dielectric film having a refractive index lower than that of the compound semiconductor substrate on the surface of the compound semiconductor substrate;
Patterning the dielectric film to form dielectric layers constituting lattice points of a two-dimensional diffraction grating, each dielectric layer being asymmetric with respect to at least one of the sides of the two-dimensional diffraction grating Patterned to have a shape,
Crystal-growing a first semiconductor layer having a region lattice-matchable with the material of the compound semiconductor substrate on the surface side and the dielectric layer of the compound semiconductor substrate;
Planarizing the region of the first semiconductor layer using a chemical mechanical polishing process;
Equipped with
The method for manufacturing a photonic crystal built-in substrate , wherein a planarized surface of the region is made a regrowth start surface of the laminate .
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