(57)【要約】【課題】室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】面発光装置１は、ヒートシンク８０と、面発光素子２とを備えている。面発光素子２は、ｎ−ＩｎＰ基板１０と、量子カスケード活性層３０と、ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０およびｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０と、ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０およびｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０と積層され、量子カスケード活性層３０と独立したフォトニック結晶層５０と、量子カスケード活性層３０と積層するように形成された表面電極６０と、表面電極６０に接続される金属パッド７０とを含む。そして、金属パッド７０とヒートシンク８０とがはんだ層９１を介して接続されることにより、面発光素子２はヒートシンク８０に搭載されている。【選択図】図１
2010098135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンク体と、前記ヒートシンク体に搭載される面発光素子とを備える面発光装置であって、
前記面発光素子は、
第１導電型の基板と、
前記基板の主表面上に形成された、サブバンド間遷移を用いた活性層と、
前記基板の前記主表面上において、前記活性層を挟むように配置された、第１導電型の半導体層と、
前記基板の前記主表面上において前記半導体層と積層され、前記活性層と独立した２次元回折格子と、
前記基板の前記主表面上において、前記活性層と積層するように形成された電極と、
前記電極に接続される導電体パッドとを含み、
前記導電体パッドと前記ヒートシンク体とが接続材層を介して接続されることにより、前記面発光素子は前記ヒートシンク体に搭載されている、面発光装置。
【請求項２】
前記導電体パッドは、前記電極の平面形状より大きな平面形状を有している、請求項１に記載の面発行装置。
【請求項３】
前記ヒートシンク体を構成する材料の熱伝導度は１５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１または２に記載の面発光装置。
【請求項４】
前記電極の重心と、前記導電体パッドの重心とは、前記接続材層が接続されている前記ヒートシンク体表面に垂直な方向において整列している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光装置。
【請求項５】
前記導電体パッドの厚みは１μｍ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の面発光装置。
【請求項６】
面発光素子を形成する工程と、
前記面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程とを備え、
前記面発光素子を形成する工程は、
第１導電型の基板を準備する工程と、
前記基板の主表面上に、サブバンド間遷移を用いた活性層と、前記活性層を挟むように配置された、第１導電型の半導体層とを形成する工程と、
前記基板の主表面上において前記半導体層と積層され、前記活性層と独立した２次元回折格子を形成する工程と、
前記基板の主表面上において、前記活性層と積層するように電極を形成する工程と、
前記電極に接続される導電体パッドを形成する工程とを含み、
前記面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程では、前記面発光素子における前記導電体パッドと前記ヒートシンク体とが接続材層を介して接続される、面発光装置の製造方法。
【請求項７】
前記導電体パッドを形成する工程では、前記電極の平面形状より大きな平面形状を有する前記導電体パッドが形成される、請求項６に記載の面発光装置の製造方法。
【請求項８】
前記導電体パッドを形成する工程は、メッキ法を用いて前記導電体パッドを形成する工程を含む、請求項６または７に記載の面発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、面発光装置およびその製造方法に関し、より特定的には、サブバンド間遷移を用いた活性層を含む量子カスケードレーザ素子を備える面発光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、中赤外からテラヘルツ帯にわたる長波長領域のレーザ光を出射するレーザ素子として、サブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザ素子が提案されている（たとえば、非特許文献１および非特許文献２参照）。上述した量子カスケードレーザでは、２種以上の半導体材料からなる超格子構造を作成し、当該超格子構造内に形成されるサブバンド間遷移を利用して長波長領域のレーザ光を得ることができるとされている。
【０００３】
たとえば、非特許文献１では、レーザ共振器としてファブリペロー共振器を利用した量子カスケードレーザが開示されている。
【０００４】
また、非特許文献２では、２種類以上の半導体材料からなる超格子構造を用いた量子カスケードレーザ構造に対して、素子表面から活性層まで貫通する空気孔を周期的に並べたフォトニック結晶構造を形成した素子が提案されている。当該素子は、フォトニック結晶構造内に空気孔の欠損による格子欠陥を導入することで、その格子欠陥中に局在したモードを利用して素子表面に垂直な方向にレーザ発振を起こさせている、欠陥型フォトニック結晶量子カスケードレーザである。
【０００５】
また、上述したフォトニック結晶構造を用いた面発光レーザ素子としては、たとえば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特許第３９８３９３３号明細書
【非特許文献１】大谷  啓太、”ＩｎＡｓ量子カスケードレーザの研究”、［online］、財団法人  丸文研究交流財団、［平成２０年３月１９日  検索］、インターネット(http://www.marubun-zaidan.jp/pdf/h16_ootani.pdf)
【非特許文献２】ラファエル  コロンベリ（Raffaele Colombelli)他、、サイエンス（SCIENCE）、”カンタムカスケードサーフェスエミッティングフォトニッククリスタルレーザ（Quantum Cascade Surface-Emitting Photonic Crystal Laser)”、21 November 2003、Vol.302、p.1374-1377
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した非特許文献１に開示されたレーザ素子は、ファブリペロー共振器を用いることからマルチモード発振の素子であり、レーザの発振波長を単一に制御することが困難である。
【０００７】
また、上述した非特許文献２に開示されたレーザ素子は、欠陥部に強く局在モードを閉じ込める必要があることから、活性層での発光とフォトニック結晶の光結合の強さとを極大化する必要があるため、フォトニック結晶の空気孔が活性層にまで到達している構造となっている。この結果、レーザ光の発振は極低温環境下のみで起こり、たとえば室温などではレーザ光の発振は難しい。これは、活性層中に空気孔の露出側壁が多数存在することになり、室温においてはその露出面においてキャリアの非発光再結合が非常に起こりやすくなる（表面再結合速度が非常に速い）ためである。このため、非特許文献２に開示されたレーザ素子において発光及び発振を実現するには、表面再結合速度を小さくするために、素子全体を液体ヘリウム温度(４Ｋ)程度の極低温に冷却する必要がある。そのため、非特許文献２に開示されたレーザ素子では室温での使用は難しく、現実の応用が困難である。
【０００８】
また、非特許文献２に開示された欠陥型フォトニック結晶量子カスケードレーザの場合、欠陥部に強く局在モードを閉じ込めるには、欠陥部自体の体積を波長レベルまで極小化する必要がある。このため局在する光の量を大きくすることが難しいことから、高出力のレーザ発振は困難であると考えられる。また例え高出力の発振に成功した場合でも、出射される光は非常に狭い欠陥表面部から出射されるため、この欠陥表面部に光集中が起こって端面破壊現象（ＣＯＤと呼ばれる突然死現象）を容易に引き起こす可能性がある。このため、信頼性の高い素子を作ることは困難であった。
【０００９】
さらに、量子カスケードレーザ素子においては、活性層に注入されるキャリア個数あたりの効率（量子効率）を高くできるものの、比較的大きなバイアスを必要とするため、実効的な電力変換効率は必ずしも高いとはいえない。そのため、動作時における発熱が大きくなる傾向にあり、素子からの十分な放熱を確保できない場合、動作が不安定となるおそれもある。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明の目的は、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に従った面発光装置は、ヒートシンク体と、ヒートシンク体に搭載される面発光素子とを備えている。面発光素子は、第１導電型の基板と、基板の主表面上に形成された、サブバンド間遷移を用いた活性層と、基板の上記主表面上において活性層を挟むように配置された第１導電型の半導体層と、基板の上記主表面上において半導体層と積層され、活性層と独立した２次元回折格子と、基板の上記主表面上において、活性層と積層するように形成された電極と、電極に接続される導電体パッドとを含んでいる。そして、導電体パッドとヒートシンク体とが接続材層を介して接続されることにより、面発光素子はヒートシンク体に搭載されている。
【００１２】
上記面発光素子においては、２次元回折格子が活性層と独立して形成されているため、当該２次元回折格子を構成する凹部（空気孔など）が活性層にまで到達する場合のように、活性層が当該凹部の形成により損傷を受けたり空気中に露出したりすることがない。そのため、２次元回折格子の凹部が活性層に到達している場合に比べてキャリアの非発光再結合が起こりにくくなり、室温での十分な発光を実現できる。また、２次元回折格子を利用することで、容易に単一波長（シングルモード）のレーザ発振を実現することができるだけでなく、非特許文献２に示されたレーザ素子のような端面破壊現象が起こる可能性が低く、高い信頼性を実現できる。
【００１３】
さらに、本発明の面発光装置においては、面発光素子の動作時において発熱領域となる活性層から見て、厚みの大きい基板側ではなく、厚みの小さい側（基板とは反対側）に導電体パッドを配置し、当該導電体パッドとヒートシンク体とを接続するように面発光素子をヒートシンク体に搭載している。そのため、活性層において発生した熱を効率よくヒートシンク体に放熱することが可能となり、面発光素子の温度上昇を抑制することができる。その結果、面発光装置を安定して動作させることが可能となっている。
【００１４】
以上のように、本発明の面発光装置によれば、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置を提供することができる。
【００１５】
上記面発光装置において好ましくは、導電体パッドは、上記電極の平面形状より大きな平面形状を有している。
【００１６】
これにより、活性層において発生した熱を広い面積に拡散させた上で、ヒートシンク体に対して放熱することが可能となり、導電体パッドをヒートスプレッダとして機能させることができる。その結果、面発光素子の温度上昇を一層抑制し、面発光装置をより安定して動作させることが可能となる。
【００１７】
上記面発光装置において好ましくは、ヒートシンク体を構成する材料の熱伝導度は１５０Ｗ／ｍＫ以上である。これにより、面発光素子の温度上昇をさらに抑制し、面発光装置の動作をより確実に安定させることができる。
【００１８】
上記面発光装置において好ましくは、電極の重心と、導電体パッドの重心とは、接続材層が接続されているヒートシンク体表面に垂直な方向において整列している。これにより、発光層において発生した熱が電極を介して導電体パッドに流入した際、多くの方向に効率よく拡散できるため、面発光素子の温度上昇を一層抑制することができる。
【００１９】
上記面発光装置において好ましくは、導電体パッドの厚みは１μｍ以上である。これにより、導電体パッドのヒートスプレッド効果が一層大きくなり、面発光装置をより安定して動作させることが可能となる。なお、導電体パッドの厚みが２０μｍを超えると応力の問題から導電体パッドもしくは半導体層側にクラックが入る可能性がある。そのため、導電体パッドの厚みは２０μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
本発明に従った面発光装置の製造方法は、面発光素子を形成する工程と、面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程とを備えている。面発光素子を形成する工程は、第１導電型の基板を準備する工程と、活性層と半導体層とを形成する工程と、２次元回折格子を形成する工程と、電極を形成する工程と、導電体パッドを形成する工程とを含んでいる。活性層と半導体層とを形成する工程では、基板の主表面上に、サブバンド間遷移を用いた活性層と、活性層を挟むように配置された第１導電型の半導体層とが形成される。２次元回折格子を形成する工程では、基板の上記主表面上において半導体層と積層され、活性層と独立した２次元回折格子が形成される。電極を形成する工程では、基板の上記主表面上において活性層と積層するように電極が形成される。導電体パッドを形成する工程では、電極に接続される導電体パッドが形成される。そして、面発光素子をヒートシンク体に搭載する工程では、面発光素子における導電体パッドとヒートシンク体とが接続材層を介して接続される。
【００２１】
本発明の面発光装置の製造方法によれば、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置を製造することができる。
【００２２】
上記本発明の面発光装置において好ましくは、導電体パッドを形成する工程では、上記電極の平面形状より大きな平面形状を有する導電体パッドが形成される。
【００２３】
これにより、導電体パッドをヒートスプレッダとして機能させることで温度上昇を一層抑制し、より安定して動作することが可能な面発光装置を製造することができる。
【００２４】
上記本発明の面発光装置において好ましくは、導電体パッドを形成する工程は、メッキ法を用いて導電体パッドを形成する工程を含んでいる。
【００２５】
これにより、導電体パッドを容易に厚膜化することが可能となり、安定して動作することが可能な面発光装置を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から明らかなように、本発明の面発光装置およびその製造方法によれば、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００２８】
図１は、本発明の一実施の形態における面発光装置の構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１の面発光装置に含まれるフォトニック結晶層の構成の一部を示す概略斜視図である。また、図３は、図１の面発光装置に含まれる表面電極、金属パッドおよびヒートシンクの構成を示す概略平面図である。また、図４は、図１の面発光装置に含まれるｎ−ＩｎＰ基板および裏面電極の構成を示す概略平面図である。
【００２９】
図１を参照して、本実施の形態における面発光装置１は、ヒートシンク８０と、当該ヒートシンク８０に搭載された面発光素子２とを備えている。面発光素子２は、中赤外域からテラヘルツ（ＴＨｚ）帯に渡る周波数の（具体的には波長が１．６μｍ以上１ｍｍ以下である）レーザ光を発振可能な量子カスケードレーザである。
【００３０】
面発光素子２は、導電型がｎ型（第１導電型）であるｎ−ＩｎＰ基板１０と、ｎ−ＩｎＰ基板１０の一方の主表面上に配置された第１導電型の半導体層としてのｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０と、ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０上に配置された量子カスケード活性層３０と、量子カスケード活性層３０上に配置された第１導電型の半導体層としてのｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０と、ｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０上に配置された２次元回折格子としてのフォトニック結晶層５０と、フォトニック結晶層５０において孔５１が形成された領域上に配置された表面電極６０と、表面電極６０の外周面を取り囲むように配置された絶縁層９５と、表面電極６０および絶縁層９５上に配置された導電体パッドとしての金属パッド７０と、ｎ−ＩｎＰ基板１０においてｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０が配置されている側とは反対側の主面上に形成された裏面電極９２を備えている。また、裏面電極９２には、配線である金線９４が接続されている。
【００３１】
そして、金属パッド７０とヒートシンク８０とが接続材層としてのはんだ層９１を介して接続されることにより、面発光素子２はヒートシンク８０に搭載されている。
【００３２】
ｎ−ＩｎＰ基板１０は、ＩｎＰ（インジウムリン）からなるとともに、ｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型（第１導電型）となっている。ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０は、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）からなるとともに、ｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型となっている。
【００３３】
量子カスケード活性層３０は、たとえばＡｌＩｎＡｓ（アルミニウムインジウム砒素）からなるバリア層と、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層とが交互に積層された超格子構造を有している。量子カスケード活性層３０は、サブバンド間遷移領域と注入領域とが複数周期繰返すように、つまり複数の階段状サブバンド構造を有する量子カスケード構造となるように形成されている。
【００３４】
具体的には、量子カスケード活性層３０の構成例としては、たとえばバリア層をＡｌＩｎＡｓ（Ａｌ組成０．４８）とし、井戸層をＩｎＧａＡｓ（Ｇａ組成０．４７）とした場合に、高バイアス側である表面電極６０側から低バイアス側である裏面電極９２に向けて、バリア層／（井戸層）／バリア層／（井戸層）／・・・と交互に積層された構成を採用できる。また、これらの各層の厚みは、たとえば５ｎｍ／（１ｎｍ）／１．５ｎｍ／（４．５ｎｍ）／２ｎｍ／（４ｎｍ）／３ｎｍ／（２．５ｎｍ）／２．５ｎｍ／（２．２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／２ｎｍ／（２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／３ｎｍ／（２ｎｍ）とした１８層からなる積層構造を１周期とし、この周期を複数（１０〜１００周期、たとえば３０周期）繰返した構成とすることができる。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値は井戸層の厚みを示す。
【００３５】
ｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０は、ＩｎＧａＡｓからなるとともに、ｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型となっている。
【００３６】
フォトニック結晶層５０は、図２を参照して、たとえばｎ型のＩｎＰからなるベース層５２に、周期的な凹部としての孔５１が形成された構造を有している。より具体的には、フォトニック結晶層５０においては、空気孔である孔５１が三角格子状に配置されている。その結果、孔５１が低屈折率部分となり、その周囲のＩｎＰからなるベース層５２が低屈折部分よりも屈折率の高い高屈折率部分となっている。そして、孔５１の各々は、三角格子の格子点となる位置、言い換えれば正三角形の頂点の位置に形成されている。一つの格子点の中心と、この格子点に隣接する６つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しくなっている。なお、フォトニック結晶層５０と量子カスケード活性層３０との間は、たとえば１μｍ以上離れている。
【００３７】
表面電極６０は、たとえばＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ（金−ゲルマニウム−ニッケル）合金からなっている。そして、当該表面電極６０を取り囲む絶縁層９５は、たとえばＳｉＯ２（二酸化珪素）からなっている。また、金属パッド７０は、たとえばＡｕ（金）からなっている。さらに、裏面電極９２は、表面電極６０と同様に、たとえばＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなっている。
【００３８】
ヒートシンク８０を構成する素材としては、熱伝導度の高い素材、より具体的には熱伝導度が１５０Ｗ／ｍＫ以上の素材が採用されることが好ましく、たとえばＣｕ−Ｗ（銅−タングステン）合金、銅−ダイヤモンド複合材料、銅−カーボンファイバ複合材料、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣＶＤダイヤモンド、グラファイト、ＳｉＣなどを採用することができる。
【００３９】
図３を参照して、表面電極６０、金属パッド７０およびヒートシンク８０は、平面的に見て重なるように配置されている。そして、表面電極６０および金属パッド７０の平面形状は、それぞれ重心（中心）に対して点対称な形状（本実施の形態では正方形）となっている。また、表面電極６０および金属パッド７０の重心は平面的に見て重なるように位置している。つまり、表面電極６０の重心と、金属パッド７０の重心とは、はんだ層９１が接続されているヒートシンク８０の表面に垂直な方向において整列している。その結果、表面電極６０の形状に応じて決定されるゲイン領域（発光領域）の重心と金属パッド７０の重心とは、はんだ層９１が接続されているヒートシンク８０の表面に垂直な方向において整列している。
【００４０】
一方、図１および図４を参照して、裏面電極９２には貫通孔である窓部９２Ａが形成されている。そして、この窓部９２Ａから、ｎ−ＩｎＰ基板１０が露出している。
【００４１】
次に、本実施の形態における面発光装置１の動作について簡単に説明する。図１を参照して、表面電極６０と裏面電極９２との間に電圧を印加すると、量子カスケード活性層３０に電子が注入される。そして、量子カスケード活性層３０における量子井戸構造の伝導帯中に生成する遷移領域でのサブバンド間を電子が遷移するが、上記電極に電圧（バイアス）を印加することでバンドを傾けることにより、サブバンド間の電子の遷移が連続して発生する。この結果、（たとえば主に２μｍ以上の長波長の）光が発生する。なお、発生される光の波長は、量子カスケード活性層３０の構成により規定される。
【００４２】
量子カスケード活性層３０において発生した光は、ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０とｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０とによって量子カスケード活性層３０内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層５０に到達する。ここで、量子カスケード活性層３０において発生する光は中赤外光からテラヘルツ（ＴＨｚ）光となるように、量子カスケード活性層３０の構造は規定されているため、エバネッセント光の広がる領域が広くなる。なぜならエバネッセント光の広がりは、その光の波長に比例するからである。そのため、図１に示す面発光装置１においては、フォトニック結晶層５０と量子カスケード活性層３０との間の距離をたとえば１μｍ以上としても、十分フォトニック結晶層５０に量子カスケード活性層３０からのエバネッセント光が到達する。フォトニック結晶層５０に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層５０が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において定在波が誘起される。
【００４３】
このような現象は、量子カスケード活性層３０およびフォトニック結晶層５０が２次元的に広がりをもって形成されているので、表面電極６０の真上の領域において生じうる。そして、当該定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことが可能となる。
【００４４】
フォトニック結晶層５０（２次元回折格子）は、少なくとも２方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような２次元回折格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を三角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を六角格子とそれぞれ呼ぶ。
【００４５】
図５は、三角格子における光の回折を説明するための図である。三角格子は、一辺の長さがａである正三角形によって埋め尽くされている。図５において、複数の格子点（孔５１）のうち任意に選択された格子点Ａに着目し、格子点Ａから格子点Ｂに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ａから格子点Ｃへ向かう方向をＸ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、量子カスケード活性層３０（図１参照）において発生される光の波長が、Ｘ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００４６】
２次元回折格子は、以下に説明する３個の１次元回折格子群Ｌ、Ｍ、Ｎを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｌは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３などからなっている。１次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０度の角度の方向に向けて設けられた１次元格子Ｍ1、Ｍ2、Ｍ3などからなっている。１次元回折格子群Ｎは、Ｘ軸方向に対して６０度の方向に向けて設けられた１次元格子Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3などからなっている。これら３つの１次元回折格子群Ｌ、Ｎ、およびＭは、任意の格子点を中心に１２０度の角度で回転すると重なりあう。各１次元回折格子群Ｌ、Ｎ、およびＭにおいて、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔はａである。
【００４７】
まず、格子群Ｌに関して考える。格子点Ａから格子点Ｂの方向に進む光は、格子点Ｂにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）によって規定される。ここで、λは高屈折率部分であるベース層５２（図２参照）内における光の波長である。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±６０゜、±１２０゜の角度に別の格子点Ｄ、Ｅ、ＦおよびＧが存在する。また、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点ＡおよびＫが存在する。
【００４８】
格子点Ｂにおいて、たとえば格子点Ｄの方向に向けて回折された光は、格子点Ｄにおいて格子群Ｍに従って回折される。この回折は、格子群Ｌに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｄにおいて格子点Ｈに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。このようにして順次、格子点Ｈ、格子点Ｉ、格子点Ｊと回折されていく。格子点Ｊから格子点Ａに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。
【００４９】
以上のように、格子点Ａから格子点Ｂに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ａに到達する。このため、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置に戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、この２次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。
【００５０】
また、上記ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）において、ｍが奇数である条件でのブラッグ反射の方向は、θ＝±９０゜となる。これは、２次元回折格子の主面に対して垂直方向にも回折が強くなることを意味している。これにより、図１を参照して、２次元回折格子の主面（フォトニック結晶層５０の主面）に対して垂直方向に光が進行し、光放出面を規定する窓部９２Ａから矢印αの方向に沿って光が放出される。
【００５１】
さらに、この２次元回折格子では、上記のような光の回折は２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。そのため、Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって２次元的に相互に結合し、コヒーレントな状態が形成される。以上のように、本実施の形態における面発光装置１は、面発光レーザ装置として機能することができる。
【００５２】
図６は、フォトニック結晶層の他の構成を示す概略斜視図である。図６を参照して、フォトニック結晶層５０は正方格子の形態を有する２次元回折格子を構成している。孔５１の各々は、正方格子の格子点となる位置、言い換えれば正方形の頂点の位置に形成されている。一つの格子点（孔５１）の中心と、この格子点に隣接する８つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。
【００５３】
図７は、正方格子における光の回折を説明するための図である。正方格子は、一辺の長さがｄである正方形で埋め尽くされている。図７において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向Ｘ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、量子カスケード活性層３０（図１参照）において発生する光の波長が、Ｘ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００５４】
２次元回折格子は、以下に説明する２個の１次元回折格子群Ｕ、Ｖを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｕは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３などからなっている。１次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３などからなっている。これら２つの１次元回折格子群ＵおよびＶは、任意の格子点を中心に９０゜の角度で回転すると重なりあう。各１次元回折格子群ＵおよびＶにおいて、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔もｄである。
【００５５】
まず、格子群Ｕに関して考える。格子点Ｗから格子点Ｐの方向に進む光は、格子点Ｐにおいて回折現象を生じる。回折方向は、３角格子の場合と同様に、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）によって規定される。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±９０゜の角度に別の格子点Ｑ、Ｒが存在し、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点Ｗ、Ｓが存在する。
【００５６】
格子点Ｐにおいて格子点Ｑの方向に向けて回折された光は、格子点Ｑにおいて格子群Ｖに従って回折される。この回折は、格子群Ｕに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｑにおいて格子点Ｔに向けて回折される光は、格子群Ｕに従って回折される。このようにして順次に回折され、格子点Ｔから格子点Ｗに向けて回折される光は、さらに格子群Ｖに従って回折される。
【００５７】
以上、説明したように、格子点Ｗから格子点Ｐに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ｗに到達する。そのため、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置に戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、この２次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。したがって、図２に基づいて説明したフォトニック結晶層５０に代えて、上記図６および図７に基づいて説明したフォトニック結晶層５０を使用した場合でも、本実施の形態における面発光装置１は、面発光レーザ装置として機能することができる。
【００５８】
ここで、上記面発光装置１に含まれる面発光素子２は、第１導電型の基板としてのｎ−ＩｎＰ基板１０と、ｎ−ＩｎＰ基板１０の主表面上に形成された、サブバンド間遷移を用いた量子カスケード活性層３０と、ｎ−ＩｎＰ基板１０の上記主表面上において、量子カスケード活性層３０を挟むように配置された第１導電型の半導体層としてのｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０およびｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０と、ｎ−ＩｎＰ基板１０の上記主表面上においてｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０およびｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０と積層され、量子カスケード活性層３０と独立した２次元回折格子としてのフォトニック結晶層５０と、ｎ−ＩｎＰ基板１０の上記主表面上において量子カスケード活性層３０と積層するように形成された表面電極６０と、表面電極６０に接続される導電体パッドとしての金属パッド７０とを含んでいる。そして、金属パッド７０とヒートシンク８０とが接続材層としてのはんだ層９１を介して接続されることにより、面発光素子２はヒートシンク８０に搭載されている。
【００５９】
このような構成を有する面発光素子２を備えることにより、本実施の形態における面発光装置１おいては、フォトニック結晶層５０の構造（格子定数や空気充填率）を制御することにより、量子カスケード活性層３０で発光する光のうち、任意の１波長の光のみを量子カスケード活性層３０内にフィードバックさせ、１つのモードのみで発振させることができる。つまり、従来のファブリペロー型共振器を用いた通常の量子カスケードレーザのように、発振波長に多数の波長が混在するマルチモードではなく、本実施の形態における面発光装置１では、任意の単一波長での発振が可能となっている。また、量子カスケード活性層３０の主表面と垂直な方向に、回折効果により単一波長のレーザ光を出射させることが可能となっている。これまで強度の強い光源が存在しなかった中赤外域からＴＨｚ帯において、任意の波長のレーザ光源が得られるということは非常に意義深いことである。
【００６０】
また、本実施の形態における面発光装置１においては、出射面を表面側の非常に大きな面積の領域にすることが可能となっている。その結果、本実施の形態における面発光装置１では、ファブリペローレーザや欠陥型フォトニック結晶レーザのように出射面を狭い領域とせざるを得ないレーザで問題となる破壊現象（ＣＯＤ:突然破壊：光集中により出射面が溶ける現象）を起こす可能性が極めて低い。つまりレーザ光源としての信頼性も向上している。
【００６１】
また、本実施の形態における面発光装置１においては、フォトニック結晶層５０を量子カスケード活性層３０から離した位置（たとえば１μｍ以上離れた位置）に形成して、量子カスケード活性層３０からしみ出したエバネッセント光とフォトニック結晶層５０との光結合を利用することが可能となっている。そのため、従来のように活性層まで到達する孔を形成する必要は無い。これは、面発光装置１の共振器は、強い局在モードの閉じ込めを必要とせず、通常の１次元ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ)レーザと同程度の光結合の強さで充分であるからである。よって、面発光装置１の量子カスケード活性層３０は、外部に露出されることが無いため、室温でも表面再結合速度が上昇することはない。その結果、本実施の形態における面発光装置１では、室温での発光及び発振が容易に実現可能となっている。
【００６２】
なお、上述した特許文献１に開示されているフォトニック結晶面発光レーザ素子は、基本的に近赤外光から可視光（波長にして０．４μｍ〜１．５μｍ）のレーザを前提としている。この場合、エバネッセント光の拡がる領域（その広さは波長に比例する）が小さく、フォトニック結晶層を活性層の近傍に作り込む必要がある。したがって、特許文献１では融着法や再成長法を用いて素子を形成していた。しかし、本実施の形態における面発光装置１では、中赤外光からＴＨｚ帯域（波長にして２μｍ以上１０００μｍ以下）のレーザ光を発振対象とするため、エバネッセント光の拡がる領域が非常に広くなる。そのため、フォトニック結晶層５０と量子カスケード活性層３０との間の距離を大きく離すことが可能となっている。したがって、図１に示すように、表面電極６０に隣接してフォトニック結晶層５０を形成した構成とすることが可能となっている。その結果、本実施の形態における面発光装置１においては、融着法や再成長法などの面倒な作製法を用いることが必須ではない。
【００６３】
また、フォトニック結晶層５０における孔５１の加工位置と量子カスケード活性層３０との距離が離れていることから、孔５１を形成する際の加工に伴う量子カスケード活性層３０への加工ダメージもほとんど発生しない。同様に、フォトニック結晶層５０を作り込む際に発生する応力と歪みが、量子カスケード活性層３０に対して及ぼす影響も少なくなる。そのため、他の短波長のフォトニック結晶面発光レーザ素子では、残留応力の強さから採用が困難な場合があった、誘電体柱埋め込みフォトニック結晶構造などを採用することも容易となっている。その結果、構造の自由度が大きく拡がっている。
【００６４】
さらに、本実施の形態における面発光装置１においては、面発光素子２の動作時において発熱領域となる量子カスケード活性層３０から見て、厚みの大きいｎ−ＩｎＰ基板１０側ではなく、厚みの小さい側（ｎ−ＩｎＰ基板１０とは反対側）に金属パッド７０を配置し、当該金属パッド７０とヒートシンク８０とを接続するように面発光素子２をヒートシンク８０に搭載している。そのため、量子カスケード活性層３０において発生した熱を効率よくヒートシンク８０に放熱することが可能となり、面発光素子２の温度上昇が抑制されている。
【００６５】
また、本実施の面発光装置１においては、金属パッド７０は、表面電極６０の平面形状より大きな平面形状を有している。これにより、量子カスケード活性層３０において発生した熱を広い面積に拡散させた上で、ヒートシンク８０に対して放熱することが可能となっている。そのため、面発光素子２の温度上昇が一層抑制されている。その結果、面発光装置１を安定して動作させることが可能となっている。
【００６６】
以上のように、本実施の形態における面発光装置１は、室温において単一波長で発振可能であるとともに、安定して動作することが可能な量子カスケードレーザ素子を備えた面発光装置となっている。
【００６７】
ここで、ヒートシンク８０を構成する材料の熱伝導度は１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これにより、面発光素子２の温度上昇をさらに抑制し、面発光装置１の動作をより確実に安定させることができる。
【００６８】
また、面発光装置１においては、表面電極６０の重心と、金属パッド７０の重心とは、はんだ層９１が接続されているヒートシンク８０の表面に垂直な方向において整列していることが好ましい。これにより、量子カスケード活性層３０において発生した熱が表面電極６０を介して金属パッド７０に流入した際、多くの方向に効率よく拡散できるため、面発光装置１の温度上昇を一層抑制することができる。なお、金属パッド７０の平面形状は、その重心が表面電極６０の平面形状の重心と平面的に見て重なるとともに、重心に対して点対象な形状を有していることが望ましい。より具体的には、たとえば表面電極６０の平面形状が正方形または正六角形である場合、その重心が平面的に見て当該正方形または正六角形に重なる正方形や円形形状を有することが好ましい。金属パッド７０の平面形状は、表面電極６０の平面形状が相似拡大されたものであってもよい。また、金属パッド７０の平面形状の面積は、表面電極６０の平面形状の面積に対して３倍以上であれば有効なヒートスプレッド効果を発揮する一方、１００倍を超えるとチップ面積が増大して高コスト化するという問題が生じるおそれがあるため、３倍以上１００倍以下とすることが好ましい。
【００６９】
さらに、金属パッド７０の厚みは１μｍ以上であることが好ましい。これにより、金属パッド７０のヒートスプレッド効果が一層大きくなり、面発光装置１をより安定して動作させることが可能となる。
【００７０】
次に、本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法について説明する。図８は、本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図９〜図１６は、本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【００７１】
図８を参照して、本実施の形態における面発光装置の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として基板準備工程が実施される。具体的には、図９を参照して、たとえばＩｎＰからなり、導電型がｎ型であるｎ−ＩｎＰ基板１０が準備される。なお、本発明の面発光装置を構成する基板の素材としては、ＩｎＰのほか、ＧａＡｓ、ＧａＳｂまたはＩｎＡｓなどを採用することができる。
【００７２】
次に、工程（Ｓ２０）としてバッファ層形成工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図１０を参照して、工程（Ｓ１０）において準備されたｎ−ＩｎＰ基板１０の一方の主表面（（００１）面）上に、たとえばＩｎＧａＡｓからなり、導電型がｎ型であるｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０が形成される。ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０の形成は、ｎ−ＩｎＰ基板１０上にｎ型不純物を含むＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させることにより実施することができる。なお、本発明の面発光装置を構成するバッファ層の素材としては、基板をＩｎＰとする場合にたとえばＩｎＧａＡｓを採用できるほか、基板をＧａＡｓとする場合はＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓなどを、基板をＧａＳｂとする場合はＧａＳｂまたはＩｎＡｓなどを、基板をＩｎＡｓとする場合はＩｎＡｓまたはＧａＳｂなどを採用することができる。
【００７３】
次に、工程（Ｓ３０）として活性層形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０上に、量子カスケード活性層３０が形成される。具体的には、図１０を参照して、工程（Ｓ２０）において形成されたｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０上に、たとえばＡｌＩｎＡｓからなるバリア層とＩｎＧａＡｓからなる井戸層とを交互に複数回（たとえば３０回程度）繰り返してエピタキシャル成長させる。このバリア層と井戸層とは、一部を除いてアンドープ（意識的な不純物の添加を行なわない状態）となっている。なお、本発明の面発光装置を構成するバリア層／井戸層の素材の組合せとしては、基板をＩｎＰとする場合にたとえばＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓを採用できるほか、基板をＧａＡｓとする場合はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓなどを、基板をＧａＳｂまたはＩｎＡｓとする場合はＡｌＳｂ／ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＳｂ／ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓなどを採用することができる。
【００７４】
次に、工程（Ｓ４０）として、ガイド層形成工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１０を参照して、工程（Ｓ３０）において形成された量子カスケード活性層３０上に、たとえばＩｎＧａＡｓからなり、導電型がｎ型であるｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０が形成される。ｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０の形成は、量子カスケード活性層３０上にｎ型不純物を含むＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させることにより実施することができる。なお、本発明の面発光装置を構成するガイド層の素材としては、基板をＩｎＰとする場合にたとえばＩｎＧａＡｓを採用できるほか、基板をＧａＡｓとする場合はＧａＡｓなどを、基板をＧａＳｂまたはＩｎＡｓとする場合はＩｎＡｓ、ＧａＳｂなどを採用することができる。
【００７５】
次に、工程（Ｓ５０）として、ｎ−ＩｎＰ層形成工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図１０を参照して、フォトニック結晶層５０のベース層５２（図１および図２参照）となるべきｎ−ＩｎＰ層５５が、ｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０上に形成される。具体的には、工程（Ｓ４０）において形成されたｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層４０上に、ｎ型不純物を含むＩｎＰ層がエピタキシャル成長により形成される。なお、本発明の面発光装置を構成するフォトニック結晶層のベース層の素材としては、基板をＩｎＰとする場合はＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなどを、基板をＧａＡｓとする場合はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどを、基板をＧａＳｂまたはＩｎＡｓとする場合はＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂなどを採用することができる。また、上記工程（Ｓ２０）〜（Ｓ５０）は、たとえばＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ；分子線エピタキシー）法により実施することができる。
【００７６】
次に、工程（Ｓ６０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図１１を参照して、工程（Ｓ５０）において形成されたｎ−ＩｎＰ層５５上に、たとえば平面形状が正方形形状である表面電極６０が形成される。また、ｎ−ＩｎＰ基板１０においてｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層２０が形成された側とは反対側の主表面上に、裏面電極９２が形成される。この裏面電極９２には、表面電極６０が形成される領域の直下に位置するように、両面マスクアライナーを用いて、窓部９２Ａが形成される。表面電極６０および裏面電極９２は、いずれもたとえばＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなる層を蒸着することにより形成することができる。
【００７７】
次に、工程（Ｓ７０）として貫通孔形成工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、フォトニック結晶層５０の孔５１（図１および図２参照）となるべき貫通孔がｎ−ＩｎＰ層５５に形成される。具体的には、まず、工程（Ｓ５０）および（Ｓ６０）において形成されたｎ−ＩｎＰ層５５および表面電極６０上に、レジストが塗布される。その後、露光および現像が実施されることにより、レジストからなり、貫通孔を形成すべき所望の領域に孔を有するマスク層が形成される。そして、当該マスク層をマスクとして用いて、たとえばドライエッチングを実施することにより、図１２を参照して、表面電極６０およびｎ−ＩｎＰ層５５を貫通する貫通孔が形成される。
【００７８】
次に、工程（Ｓ８０）として貫通孔封止工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、工程（Ｓ７０）において表面電極６０に形成された貫通孔が閉じられることにより、ｎ−ＩｎＰ層５５に形成された貫通孔が封止される。具体的には、図１３を参照して、たとえばめっきを実施することにより、表面電極６０に形成された貫通孔が閉じられる。これにより、ｎ−ＩｎＰ層５５に形成された貫通孔が封止され、孔５１を有するフォトニック結晶層５０が完成する。
【００７９】
次に、工程（Ｓ９０）として絶縁層形成工程が実施される。この工程（Ｓ９０）では、図１４を参照して、たとえばＳｉＯ２からなる絶縁層９５が、表面電極６０の周囲を平面的に取り囲むように形成される。絶縁層９５の形成は、たとえばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相堆積）法により実施することができる。また、絶縁層９５を構成する素材としては、ＳｉＯ２のほか、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＴｉＯ２（酸化チタン）などを採用することができる。
【００８０】
次に、工程（Ｓ１００）として金属パッド蒸着工程が実施される。この工程（Ｓ１００）では、図１５を参照して、表面電極６０上に、かつ当該表面電極６０に接触するように、たとえば金（Ａｕ）からなる金属パッド７０が形成される。具体的には、蒸着法により、表面電極６０上に金からなる膜が形成される。なお、金属パッド７０を構成する素材としては、金のほか、銀、銅、白金、ニッケル、パラジウムなど、またそれらの積層構造を採用することができる。
【００８１】
次に、工程（Ｓ１１０）として金属パッドめっき工程が実施される。この工程（Ｓ１１０）では、めっきが実施されることにより、工程（Ｓ１００）において形成された金属パッド７０が厚膜化される。なお、この工程（Ｓ１１０）は、先の工程（Ｓ１００）において十分な膜厚を有する金属パッド７０を、たとえば蒸着法により形成することにより省略することができる。しかし、工程（Ｓ１００）において金属パッド７０の厚みの一部のみを形成しておき、その後めっき法を用いて金属パッド７０の厚みを増すことにより、厚みの大きい金属パッド７０を効率よく形成することができる。以上の工程により、本実施の形態における面発光装置１を構成する面発光素子２が完成する（図１参照）。
【００８２】
次に、工程（Ｓ１２０）として素子搭載工程が実施される。この工程（Ｓ１２０）では、図１６を参照して、別途準備されたヒートシンク８０と上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ１１０）において形成された面発光素子２の金属パッド７０とが、たとえばはんだを用いて接合されることにより、ヒートシンク８０上に面発光素子２が搭載される。すなわち、工程（Ｓ１２０）においては、量子カスケード活性層３０からみて、ｎ−ＩｎＰ基板１０とは反対側、つまりｎ−ＩｎＰ基板１０から見てエピタキシャル成長により形成された層の側がヒートシンク８０に接合されることにより、ヒートシンク８０上に面発光素子２が搭載される。その後、図１を参照して、ワイヤーボンドが実施されることにより配線である金線９４が形成されるとともに、ステム９３上に載置されることにより、本実施の形態における面発光装置１が完成する。
【００８３】
以上のように工程（Ｓ１０）〜（Ｓ１２０）が実施されることにより、煩雑な融着法やエピ再成長による埋込法を用いることなく、本実施の形態における面発光装置１を容易に製造することができる。
【実施例１】
【００８４】
以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の面発光装置において、当該面発光装置に含まれる面発光素子のヒートシンク体への搭載態様の効果を確認するシミュレーション試験を実施した。試験の手順は以下の通りである。
【００８５】
図１７は、本発明の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。また、図１８は、本発明の範囲外の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。
【００８６】
図１７を参照して、本発明の範囲内である実施例の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件では、底面が一辺１２００μｍの正方形形状を有し、厚み３００μｍのヒートシンク１０３、厚み２μｍのＡｕ層１０２、厚み０．１μｍのＳｉＯ２層１０４および厚み１００μｍの面発光素子１０１を順次直方体形状に積層したものを想定した。そして、実施例の搭載態様においては、量子カスケード活性層から見て基板とは反対側がヒートシンク体に接続されていることにより、面発光素子１０１内に配置される発光層１０９（発熱層）が、ＳｉＯ２層１０４から２μｍの距離に配置されている。なお、発光層１０９の形状は、平面形状が一辺１００μｍの正方形形状、厚み１μｍとした。
【００８７】
一方、図１８を参照して、本発明の範囲外である比較例の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件では、底面が一辺１２００μｍの正方形形状を有し、厚み３００μｍのヒートシンク１０３、厚み２μｍのＡｕ層１０２および厚み１００μｍの面発光素子１０１を順次直方体形状に積層したものを想定した。そして、比較例の搭載態様においては、量子カスケード活性層から見て基板側がヒートシンク体に接続されていることにより、面発光素子１０１内に配置される発光層１０９（発熱層）が、Ａｕ層１０２とは反対側の表面から２μｍの距離に配置されている。なお、発光層１０９の形状は、実施例の場合と同様に平面形状が一辺１００μｍの正方形形状、厚み１μｍとした。
【００８８】
そして、実施例および比較例ともに発熱密度を４．２×１０９Ｗ／ｃｍ３、電流密度を１０ｋＡ／ｃｍ２として、面発光装置の動作中における温度分布を求めた。
【００８９】
図１９は、実施例１における実施例の試験結果を示す図である。また、図２０は、図１９の要部を拡大して示す図である。また、図２１は、実施例１における比較例の試験結果を示す図である。また、図２２は、図２１の要部を拡大して示す図である。なお、図１９および図２１において、直方体の図形の下部に表示される連結された複数の長方形の図形は、温度分布の凡例を示している。凡例内の長方形と同じ形態の斜線が付された領域は、当該長方形の両端側に記載された数値（単位：℃）の間の温度となっていたことを示している。また、図１９および図２１は、それぞれ図１７および図１８を底面に垂直であり、かつ底面の重心において直交する２つの面で切断した系の温度分布を示している。すなわち、図１９および図２１の左端における厚み方向に延びる稜線は、図１７および図１８の発光層１０９の平面形状における重心通り、底面に垂直な直線に一致する。
【００９０】
図１９〜図２２を参照して、実施例の搭載態様を採用した場合、温度が上昇している領域がヒートシンク体の内部に大きく広がり、最も高温となった領域の温度は５５℃となっていた。これに対し、比較例の搭載態様を採用した場合、温度が上昇している領域のヒートシンク体の内部への広がりが小さくなっており、最も高温となった領域の温度は１５０℃となっていた。
【００９１】
これは、平面状の発熱領域からの放熱経路は１次元的にならざるを得ないところ、実施例の搭載態様を採用することで発熱層からの熱がヒートシンク体に効率よく放熱され、温度上昇が抑制されたためであると考えられる。
【００９２】
以上の結果より、本発明の構成である上記実施例における面発光素子のヒートシンク体への搭載態様を採用することにより、発熱層において発生する熱を効率よくヒートシンク体に放熱することが可能となり、面発光装置の温度上昇を抑制できることが確認された。
【実施例２】
【００９３】
次に、本発明の実施例２について説明する。本発明の面発光装置において、当該面発光装置に含まれるヒートシンク体の熱伝導率と面発光素子の温度上昇との関係を調査するシミュレーション試験を実施した。試験の手順は以下の通りである。
【００９４】
図２３は、シミュレーションの条件を示す概略斜視図である。図２３を参照して、実施例２におけるシミュレーションでは、直方体形状のヒートシンク体２０３上に、直方体形状のＡｕＳｎ層２０２、ＳｉＯ２層２０４および量子カスケード活性層を含む面発光素子２０１を順次積層した系を想定した。面発光素子２０１の内部には、底面が一辺１００μｍの正方形形状、厚み１μｍの発熱層を配置した。そして、シートシンク体の熱伝導率を１００〜１０００Ｗ／ｍＫの範囲で変化させ、面発光装置の動作中における面発光素子の温度（素子最高温度）を調査した。
【００９５】
図２４は、実施例２における試験結果を示す図である。図２４において、横軸はヒートシンク体の熱伝導率、縦軸は面発光装置の動作中における面発光素子の温度を示している。また、図中において、横軸に平行な破線は、面発行装置に含まれる量子カスケード活性層がレーザ発振を継続することが可能な最高温度（連続発振限界）を示している。
【００９６】
図２４を参照して、図２３において説明した実施例２の系においては、ヒートシンク体を構成する素材の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることにより、本発明の面発光装置が連続発振可能であることが分かった。このことから、本発明の面発光素子においては、ヒートシンク体を構成する素材の熱伝導率は、１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましいといえる。
【実施例３】
【００９７】
次に、本発明の実施例３について説明する。種々の素材からなるヒートシンク体を採用した面発光装置を実際に作製し、連続発振の可否に及ぼすヒートシンク体の素材の影響を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。
【００９８】
まず、上記実施の形態と同様の構成を有する面発光装置を作製した。具体的には、まずｎ−ＩｎＰ基板（００１）面上に、厚み１００ｎｍの格子整合ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層、量子カスケード活性層、厚み５００ｎｍの格子整合ｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層、厚み１μｍのｎ−ＩｎＰ層をＭＢＥ法によりエピタキシャル成長させた。量子カスケード活性層は、バリア層をＡｌＩｎＡｓ（Ａｌ組成０．４８）とし、井戸層をＩｎＧａＡｓ（Ｇａ組成０．４７）とし、高バイアス側である表面電極側から低バイアス側である裏面電極に向けて、バリア層／（井戸層）／バリア層／（井戸層）／・・・と交互に積層された構成を採用した。また、これらの各層の厚みは、５ｎｍ／（１ｎｍ）／１．５ｎｍ／（４．５ｎｍ）／２ｎｍ／（４ｎｍ）／３ｎｍ／（２．５ｎｍ）／２．５ｎｍ／（２．２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／２ｎｍ／（２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／３ｎｍ／（２ｎｍ）とした１８層からなる積層構造を１周期とし、この周期を複数（たとえば１０〜１００周期、たとえば３０周期）繰返した構成とした。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値は井戸層の厚みを示す。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約１４４０ｎｍとなった。
【００９９】
このようにして作製されたエピウェハのｎ−ＩｎＰ層上に、平面形状が一辺１００μｍの正方形形状を有する表面電極を形成した。一方、ｎ−ＩｎＰ基板においてｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層が形成された側とは反対側の主表面上に、裏面電極を形成した。この裏面電極には、表面電極が形成される領域の直下に位置するように、両面マスクアライナーを用いて、窓部９２Ａを形成した。表面電極および裏面電極は、いずれもたとえばＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなる層を蒸着することにより形成した。
【０１００】
そして、上記実施の形態と同様の手順で、格子定数１．８μｍ、空気充填率１５％（空気孔は７３０ｎｍの直径を有する円形）の三角格子を構成する孔を有するフォトニック結晶層を作製した。孔の深さは１μｍとした。また、フォトニック結晶層のうち孔が形成されている領域の平面形状は、一辺１００μｍの正方形形状とした。そして、表面電極の周囲をＳｉＯ２膜で覆い、その上に一辺４００μｍ、厚み１μｍの金からなる金属パッドを蒸着法にて形成して、面発光素子を完成させた。その後、この面発光素子を、本発明の構成に従って、金属パッドとヒートシンクとをＡｕ−Ｓｎ（金−スズ）はんだで接合することにより、ヒートシンク上に搭載した。
【０１０１】
ヒートシンクとしては、（１）金めっきを施した一辺１ｍｍの立方体形状を有するシリコン製のヒートシンク（熱伝導率：１４０Ｗ／ｍＫ）、（２）金めっきを施した一辺１ｍｍの立方体形状を有する銅−タングステン合金製のヒートシンク（熱伝導率：１８０Ｗ／ｍＫ）、（３）金めっきを施した一辺１ｍｍの立方体形状を有する窒化アルミニウム製のヒートシンク（熱伝導率：２３０Ｗ／ｍＫ）、の３種類を採用した。
【０１０２】
そして、上記３種類のヒートシンクを採用した面発光装置の面発光素子に対して適切なバイアスの下、電流を流した。その結果、（２）および（３）のヒートシンクを採用した面発光装置は室温において連続発振したのに対し、（１）のヒートシンクを採用した面発光装置はパルス発振しかしなかった。なお、（２）および（３）のヒートシンクを採用した面発光装置の発振波長は５μｍの単一波長であった。
【０１０３】
以上の実験結果より、ヒートシンクを構成する素材としては、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫの素材を採用することが好ましいことが確認された。
【実施例４】
【０１０４】
次に、本発明の実施例４について説明する。面発光装置の動作中における量子カスケード活性層の温度に及ぼす導電体パッドの形状の影響を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。
【０１０５】
まず、上記実施例３と同様に面発光素子を準備し、金めっきを施した一辺１ｍｍの立方体形状を有する窒化アルミニウム製のヒートシンクに搭載して面発光装置を作製した。ここで、導電体パッド（金属パッド）を構成する素材は金とし、金属パッドの形状のみを以下のように変更した。
【０１０６】
図２５〜図２７は、実施例４における金属パッドの形状を示す概略平面図である。また、図２８〜図３０は、実施例４における金属パッドの形状を示す概略断面図である。
【０１０７】
図２５〜図３０を参照して、本実施例では金属パッドの形状として、（１）平面形状が一辺２００μｍの正方形形状、厚み１μｍ（図２５および図２８参照）、（２）平面形状が縦８００μｍ、横２００μｍの長方形形状、厚み１μｍ（図２６および図２８参照）、（３）平面形状が一辺４００μｍの正方形形状、厚み１μｍ（図２７および図２８参照）、（４）平面形状が一辺４００μｍの正方形形状、厚み０．３μｍ（図２７および図２９参照）、（５）平面形状が一辺４００μｍの正方形形状、厚み５μｍ（図２７および図３０参照）を採用した。そして、各面発光装置に対して環境温度を変化させつつ通電を行ない、発振閾値の温度変化を調査することにより、同じ電力を投入した際の量子カスケード活性層の温度を推定した。
【０１０８】
その結果、金属パッドの形状が上記（３）であるサンプルの量子カスケード活性層の温度が５０℃のとき、（１）および（４）の形状では５７℃、（２）の形状では５４℃、（５）の形状では４５℃となっていた。
【０１０９】
以上の実験結果より、本発明の面発光装置においては、導電体パッドの平面形状を表面電極の平面形状に対して相似形状に拡大した形状とすること、および導電体パッドの厚みを大きくすることによりヒートスプレッド効果が大きくなり、放熱性を向上させることが可能であることが確認された。
【０１１０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明の面発光装置およびその製造方法は、サブバンド間遷移を用いた活性層を含む量子カスケードレーザ素子を備える面発光装置およびその製造方法に、特に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の一実施の形態における面発光装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の面発光装置に含まれるフォトニック結晶層の構成の一部を示す概略斜視図である。
【図３】図１の面発光装置に含まれる表面電極、金属パッドおよびヒートシンクの構成を示す概略平面図である。
【図４】図１の面発光装置に含まれるｎ−ＩｎＰ基板および裏面電極の構成を示す概略平面図である。
【図５】三角格子における光の回折を説明するための図である。
【図６】フォトニック結晶層の他の構成を示す概略斜視図である。
【図７】正方格子における光の回折を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施の形態における面発光装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図９】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１０】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１１】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１２】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１３】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１４】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１５】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１６】面発光装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１７】本発明の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。
【図１８】本発明の範囲外の面発光素子の搭載態様を想定したシミュレーションの条件を示す概略斜視図である。
【図１９】実施例１における実施例の試験結果を示す図である。
【図２０】図１９の要部を拡大して示す図である。
【図２１】実施例１における比較例の試験結果を示す図である。
【図２２】図２１の要部を拡大して示す図である。
【図２３】シミュレーションの条件を示す概略斜視図である。
【図２４】実施例２における試験結果を示す図である。
【図２５】実施例４における金属パッドの形状を示す概略平面図である。
【図２６】実施例４における金属パッドの形状を示す概略平面図である。
【図２７】実施例４における金属パッドの形状を示す概略平面図である。
【図２８】実施例４における金属パッドの形状を示す概略断面図である。
【図２９】実施例４における金属パッドの形状を示す概略断面図である。
【図３０】実施例４における金属パッドの形状を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１  面発光装置、２  面発光素子、１０  ｎ−ＩｎＰ基板、２０  ｎ−ＩｎＧａＡｓバッファ層、３０  量子カスケード活性層、４０  ｎ−ＩｎＧａＡｓガイド層、５０  フォトニック結晶層、５１  孔、５２  ベース層、５５  ｎ−ＩｎＰ層、６０  表面電極、７０  金属パッド、８０  ヒートシンク、９１  はんだ層、９２  裏面電極、９２Ａ  窓部、９３  ステム、９４  金線、９５  絶縁層、１０１，２０１  面発光素子、１０２  Ａｕ層、１０３  ヒートシンク、１０４，２０４  ＳｉＯ２層、１０９  発光層、２０２  ＡｕＳｎ層、２０３  ヒートシンク体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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