(57)【要約】【課題】  光の取り出し効率が高く、かつ発振強度のムラを抑制できる半導体発光素子を提供する。【解決手段】  半導体発光素子３０においては、アノード電極（電流注入用電極）１４は、二次元フォトニック結晶２により媒質の表面に対して垂直な方向に発せられた光の放出面に形成されている。このアノード電極１４は、平面的な外形形状が二次元フォトニック結晶２の二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっている。【選択図】        図１
2006156901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアの注入により光を発生する活性層と、
第１の屈折率を有する媒質と前記媒質の表面に二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分とを有し、かつ前記活性層で発生した光を回折させるとともに前記媒質の表面に対して垂直な方向に発する二次元フォトニック結晶と、
前記二次元フォトニック結晶により前記媒質の表面に対して垂直な方向に発せられた光の放出面に形成された電流注入用電極とを備え、
前記電流注入用電極は、平面的な外形形状が前記二次元フォトニック結晶の前記二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる単位電極を有する、半導体発光素子。
【請求項２】
前記二次元回折格子は三角回折格子であり、前記単位電極の平面的な外形形状は六角形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記単位電極の平面的な形状は中抜きされた六角の枠状であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記二次元回折格子は正方回折格子であり、前記単位電極の平面的な外形形状は四角形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記単位電極の平面的な形状は中抜きされた四角の枠状であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記電流注入用電極は複数の単位電極が配列された構成を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記複数の単位電極を電気的に接続するための透明電極をさらに備えたことを特徴とする、請求項６に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関し、より特定的には、二次元回折格子を備え、面発光が可能な半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザとして、光を増幅させることが可能な媒質を封入するための２枚の合わせ鏡を用いた、いわゆるファブリペロー共振器といわれるタイプの共振器を用いたレーザが主流であった。しかしながら、ファブリペロータイプのレーザには、完全な単色での発振が保証されないために光通信の分野で使いにくいという欠点があった。
【０００３】
この問題を解決したのが分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed  feedback）レーザである。ＤＦＢレーザは、内部に設けられた１次元の回折格子によって前進波と後進波との結合を誘起し、その結果生じる定在波を利用したレーザである。この現象は、１次元の回折格子に対しブラッグ条件を満たす特定の波長の光でのみ生じる。したがって、ＤＦＢレーザによれば、縦モード（発振される光の光軸方向の共振モード）が単一モードである光を安定して発振することができる。
【０００４】
一方、ＤＦＢレーザにおいて、発振される光の光軸方向（言い換えれば回折格子に対して垂直な方向）以外の方向の光は、回折格子により回折されても定在波とはならず、フィードバックされない。つまり、ＤＦＢレーザでは、発振される光の光軸方向以外の方向の光は発振に関与せずにロスになるので、その分だけ発光効率が悪いという欠点があった。
【０００５】
そこで、近年、内部に周期的な屈折率分布をもつフォトニック結晶を用いた二次元フォトニック結晶レーザが開発されつつある。二次元フォトニック結晶レーザによれば、発振される光の光軸方向以外の光であっても、フォトニック結晶面内に存在するさまざまな方向の光を回折して定在波を生じさせることで、発光効率を向上することができる。また、二次元フォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶の主面に対して垂直な方向に面発光するという特徴を有しているので、レーザ光の出力を増加することができる。このような面発光が可能な二次元フォトニック結晶レーザは、たとえば非特許文献１に開示されている。
【０００６】
図２２は、上記の文献に開示された二次元フォトニック結晶レーザの構成を示す概略斜視図である。図２２を参照して、この二次元フォトニック結晶レーザ１３０は、２つのウエハ１１０、１２０と、カソード電極１０３と、アノード電極１１４とからなっている。
【０００７】
ウエハ１１０は、ｎ型のＩｎＰ基板１０１と、そのＩｎＰ基板１０１の表面上に形成されたｎ型のＩｎＰクラッド層１０２とを有している。ウエハ１２０は、ダブルへテロ接合を形成するように形成されたｎ型クラッド層１１１と、活性層１１２と、ｐ型クラッド層１１３とを有している。
【０００８】
このウエハ１１０とウエハ１２０とは、ＩｎＰクラッド層１０２とｎ型クラッド層１１１とが向かい合うように配置され、加熱により一体化されている。ＩｎＰ基板１０１の裏面上にはカソード電極１０３が形成されており、ｐ型クラッド層１１３上にはアノード電極１１４が形成されている。
【０００９】
ＩｎＰクラッド層１０２は、表面に所定の格子（たとえば三角格子や正方格子など）で配列された複数の孔１０２ａを有している。これにより、孔の開いていない部分はＩｎＰの屈折率（ｎ＝３．２１）となり、孔の開いている部分は空気の屈折率（ｎ＝１）となり、ＩｎＰクラッド層１０２の主面は周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶となる。
【００１０】
このような二次元フォトニック結晶レーザ１３０では、２つの電極１０３、１１４間に適当な電圧を印加することによって、正孔と電子とが活性層１１２に注入される。そして、正孔と電子とが再結合すると、所定の波長を持った光が活性層１１２内に発生する。そして、この光が活性層１１２外へ漏れ出してエバネッセント光となり、フォトニック結晶に伝搬し、フォトニック結晶内における孔１０２ａの格子点でブラッグ反射を繰り返す。その結果、各格子点間で定在波が発生し、波長および位相が揃った光となる。そして、この光がフォトニック結晶の主面に垂直な方向から発振される。これにより、アノード電極１１４が形成された面であって、アノード電極１１４の周囲の面発光領域１１５において面発光が生じる。
【非特許文献１】横山光他、「二次元フォトニック結晶面発光レーザー」、日本赤外線学会誌、２００３年、第１２巻、第２号、第１７頁〜第２３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記文献に開示された二次元フォトニック結晶レーザ１３０では、アノード電極１１４が面発光領域１１５と一部重なってしまうため、アノード電極１１４の周囲からしか光を取り出せず、光の取り出し効率が低い。
【００１２】
またアノード電極１１４の平面形状が円形であるため、光の閉じ込め領域が不均一になり、発振光強度にムラが発生し、集積して高パワー化を図ることが困難となる。
【００１３】
それゆえ本発明の目的は、光の取り出し効率が高く、かつ発振強度のムラを抑制できる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の半導体発光素子は、活性層と、二次元フォトニック結晶と、電流注入用電極とを備えている。活性層は、キャリアの注入により光を発生するものである。二次元フォトニック結晶は、第１の屈折率を有する媒質と媒質の表面に二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分とを有し、かつ活性層で発生した光を回折させるとともに媒質の表面に対して垂直な方向に発するものである。電流注入用電極は、二次元フォトニック結晶により媒質の表面に対して垂直な方向に発せられた光の放出面に形成されている。電流注入用電極は、平面的な外形形状が二次元フォトニック結晶の二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる単位電極を有している。
【００１５】
本発明の半導体発光素子によれば、電流注入用電極の単位電極の平面的な外形形状が二次元フォトニック結晶の二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっているため、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することができる。これにより発光領域は従来例よりも広がることになるため、光の取り出し効率が高くなる。また辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成できるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００１６】
なお「平面的な外形形状が二次元フォトニック結晶の二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる」とは、半導体発光素子を電流注入用電極側から平面的に見たときに多角形の全ての角部の各々が第２の屈折率の部分の真上に位置するように構成された多角形よりなることを意味する。
【００１７】
上記の半導体発光素子において好ましくは、二次元回折格子は三角回折格子であり、単位電極の平面的な外形形状は六角形状である。
【００１８】
これにより、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することが可能となる。
【００１９】
上記の半導体発光素子において好ましくは、単位電極の平面的な形状は中抜きされた六角の枠状である。
【００２０】
これにより、単位電極は中抜き形状となるため、中抜き部分からも光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率がさらに高くなる。
【００２１】
上記の半導体発光素子において好ましくは、二次元回折格子は正方回折格子であり、単位電極の平面的な外形形状は四角形状である。
【００２２】
これにより、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することが可能となる。
【００２３】
上記の半導体発光素子において好ましくは、単位電極の平面的な形状は中抜きされた四角の枠状である。
【００２４】
これにより、単位電極は中抜き形状となるため、中抜き部分からも光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率がさらに高くなる。
【００２５】
上記の半導体発光素子において好ましくは、電流注入用電極は複数の単位電極が配列された構成を有する。
【００２６】
これにより、発光領域の大面積化を図ることが可能となる。
【００２７】
上記の半導体発光素子において好ましくは、複数の単位電極を電気的に接続するための透明電極をさらに備えている。
【００２８】
これにより、光の取り出しを妨げることなく、複数の単位電極を電気的に接続することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子によれば、電流注入用電極の単位電極の平面的な外形形状が二次元フォトニック結晶の二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっているため、光の取り出し効率を高くできるとともに、発振強度のムラを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【００３２】
図１および図２を参照して、半導体レーザ素子３０は、たとえば、基板１と、二次元回折格子としてのフォトニック結晶２と、カソード電極３と、ｎ型クラッド層１１と、活性層１２と、ｐ型クラッド層１３と、アノード電極１４とを有している。
【００３３】
基板１は、たとえばｎ型のＧａＮ（窒化ガリウム）よりなっている。この基板１の表面上には、二次元回折格子としてのフォトニック結晶２が形成されている。このフォトニック結晶２は、第１の屈折率を有する媒質とその媒質の表面に二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率の部分とを有している。第１の屈折率を有する媒質はたとえばエピタキシャル成長で形成されたｎ型のＧａＮクラッド層２（屈折率：２．５４）であり、第２の屈折率の部分はたとえば空気で満たされた孔２ａ（屈折率：１）である。孔２ａは、柱状（例えば、円柱形状）の空間部であり、ＧａＮクラッド層２の表面２ｂに、たとえば三角格子を構成するようにその格子点に配列されている。
【００３４】
各孔２ａの中心と、これと最も近い６個の孔２ａの中心との距離は等しい値であり、孔２ａのピッチはたとえば１４０ｎｍであり、孔２ａの直径はたとえば６０ｎｍである。
【００３５】
フォトニック結晶２の表面２ｂ上には、ｎ型クラッド層１１、活性層１２およびｐ型クラッド層１３が順に形成されている。
【００３６】
活性層１２はキャリアの注入により光を発生する材質よりなっており、たとえばＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなる多重量子井戸により構成されていてもよく、単一の半導体材料より構成されていてもよい。
【００３７】
ｎ型クラッド層１１はたとえばｎ型ＧａＮよりなっており、ｐ型クラッド層１３はたとえばｐ型ＧａＮよりなっている。ｎ型クラッド層１１およびｐ型クラッド層１３は、活性層１２に与えられ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、ｎ型クラッド層１１およびｐ型クラッド層１３は、活性層１２を挟むように設けられている。また、ｎ型クラッド層１１およびｐ型クラッド層１３は、共に、活性層１２にキャリア（電子および正孔）を閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、ｎ型クラッド層１１、活性層１２およびｐ型クラッド層１３はダブルヘテロ接合を形成しており、発光に寄与するキャリアを活性層１２に集中させることができる。
【００３８】
また、ｎ型クラッド層１１は、フォトニック結晶２への正孔の進入をブロックするブロック層としても機能させるようにしてもよい。これにより、フォトニック結晶２内で電子と正孔とが非発光再結合するのを抑止することができる。特に、回折格子点２ａが空気よりなっている場合には、回折格子点２ａの表面において非発光再結合が起こりやすくなるので、ブロック層としての機能が重要になる。
【００３９】
基板１の裏面にはカソード電極３が基板１と電気的に接続するように形成されており、ｐ型クラッド層１３の表面にはアノード電極１４がｐ型クラッド層１３と電気的に接続するように形成されている。
【００４０】
このアノード電極（電流注入用電極）１４は、平面的な外形形状が二次元フォトニック結晶２の二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる単位電極を有している。本実施の形態においては、アノード電極１４はたとえば単位電極単体よりなっており、二次元フォトニック結晶２の三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有している。また三角格子の方位に合わせた六角形状とは、図３に示すように、半導体レーザ素子３０をアノード電極１４側から平面的に見たときに６つの角部の各々が孔２ａの真上に位置するように構成された六角形を意味している。
【００４１】
なおアノード電極１４には、ボンディングワイヤ１５、バンプなどの導電要素が電気的に接続されている。
【００４２】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子３０の製造方法について具体的に説明する。
【００４３】
図１を参照して、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＧａＮクラッド層２がエピタキシャル成長により形成される。このｎ型ＧａＮクラッド層２上にフォトレジスト（図示せず）が塗布された後にフォトリソグラフィによって現像され、フォトレジストに複数の孔パターンが形成される。この孔パターンは、直径が６０ｎｍで、ピッチが１４０ｎｍで、三角格子を構成するように配列される。このレジストパターンをマスクとしてｎ型ＧａＮクラッド層２がエッチングにより加工されることで、ｎ型ＧａＮクラッド層２に、直径が６０ｎｍで、ピッチが１４０ｎｍで、三角格子を構成するように配列された複数の孔２ａが形成される。これにより、光閉じ込め領域を形成するためのフォトニック結晶２が形成される。この後、レジストパターンはアッシングなどにより除去される。このようにして形成されたｎ型ＧａＮ基板１とフォトニック結晶２とを有するウエハ１０を第１のウエハと称する。
【００４４】
もう一方のウェハ２０は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子井戸構造の活性層１２をｎ型ＧａＮクラッド層１１とｐ型ＧａＮクラッド層１２とで挟んだ構造を有するように形成される。このウエハ２０を第２のウェハと称する。
【００４５】
第１のウェハ１０と第２のウェハ２０とが貼り合せ技術により接合される。ｐ型ＧａＮ１３の表面にアノード電極１４が形成され、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面にカソード電極３が形成される。貼り合わされたウエハがレーザ発振面に垂直な方向に劈開されることで、ＧａＮ基板１を用いたフォトニック結晶面発光レーザが形成される。
【００４６】
次に、半導体レーザ素子３０の発光方法について、図１〜図３を用いて説明する。
【００４７】
アノード電極１４に正電圧を印加し、カソード電極３に負電圧を印加すると、ｐ型クラッド層１３から活性層１２へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層１１から活性層１２へ電子が注入される。活性層１２へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、活性層１２が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。
【００４８】
活性層１２において発生された光は、ｎ型クラッド層１１およびｐ型クラッド層１３によって活性層１２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２に到達する。フォトニック結晶２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２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光の位相条件が規定される。フォトニック結晶２によって位相が規定された光は、フォトニック結晶２の表面２ｂに垂直な方向（図１中の矢印Ｓ方向）に伝搬し、活性層１２において誘導放出を促す。誘導放出された光は、フォトニック結晶２において規定される光の波長および位相条件を満足している。この光は再びフォトニック結晶２へ伝搬する。このようにして、波長及び位相条件の揃った光が発生され増幅されていく。
【００４９】
このような現象は、活性層１２およびフォトニック結晶２が二次元的に広がりをもって形成されているので、電極１４を中心にした領域およびその付近において生じうる。波長および位相条件の揃った光は、フォトニック結晶２の表面２ｂに垂直な方向に向けて発せられ、光放出面１３ａから放出される。
【００５０】
続いて、二次元回折格子（フォトニック結晶層）２について具体例を掲げながら説明する。二次元回折格子は、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。このような二次元格子は、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。
【００５１】
図４は、二次元回折格子として、格子間隔がａである三角格子を描いた図面である。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４において、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。本実施の形態では、活性層１２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。
【００５２】
二次元回折格子２は、以下に説明する３個の一次元回折格子群Ｌ、Ｍ、Ｎを含むと考えることができる。一次元回折格子群Ｌは、Ｙ軸方向に向けて設けられた一次元格子Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3などからなっている。一次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０度の角度を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。一次元回折格子群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つの一次元回折格子群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。各一次元回折格子群Ｌ、ＮおよびＭにおいて、一次元格子間の間隔はｄであり、一次元格子内の間隔はａである。
【００５３】
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ＧａＮクラッド層２内における光の波長である。二次のブラッグ反射（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。
【００５４】
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。
【００５５】
以上、説明したように、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、半導体レーザ素子３０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、二次元回折格子２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。
【００５６】
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、二次元回折格子２の表面２ｂに対して垂直方向（図１中の矢印Ｓ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、二次元回折格子２の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面１３ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。
【００５７】
さらに、二次元回折格子２では、上記の説明が任意の格子点Ａにおいて行われたことを考慮すると、上記のような光の回折は二次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって二次元的に相互に結合していると考えられる。二次元回折格子２では、この二次元的結合によって３つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００５８】
本実施の形態によれば、アノード電極１４が二次元フォトニック結晶２の三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有しているため、光の取り出し効率を高くできるとともに、発振強度のムラを抑制することができる。以下、そのことを従来例と比較して詳細に説明する。
【００５９】
図５は、従来例におけるアノード電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。図５を参照して、発光強度は、格子の配列方向に沿ったアノード電極１１４の寸法に依存する。具体的には、円形のアノード電極１１４の格子配列に沿った点Ｃ１１から点Ｃ１２までの寸法は点Ｃ１３から点Ｃ１４までの寸法よりも短い。このため、点Ｃ１１から点Ｃ１２までの格子配列に沿った光の強度は、点Ｃ１３から点Ｃ１４までの格子配列に沿った光の強度よりも小さくなる。これにより図中太線で示した矢印部分で発光強度が大きくなり、図中細線で示した矢印部分で発光強度が小さくなる。これにより、円形電極１１４の周囲の発光領域Ｓ１ｂは平面的に見て三角形となる。また円形電極１１４の外形の円弧に沿って発光強度が不均一になる。
【００６０】
これに対して本実施の形態においては、図３を参照して、アノード電極１４が二次元フォトニック結晶２の三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有している。このため、六角形のアノード電極１４の格子配列に沿った点Ｃ１から点Ｃ２までの寸法は点Ｃ３から点Ｃ４までの寸法と同じとなる。よって、点Ｃ１から点Ｃ２までの格子配列に沿った光の強度は、点Ｃ３から点Ｃ４までの格子配列に沿った光の強度と同じとなる。これにより図中太線の矢印で示すように、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、六角電極１４の各辺の周囲に生じる発光領域Ｓ１ａは平面的に見て長方形となる。また六角電極１４の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００６１】
このように本実施の形態によれば、従来において三角形であった発光領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また六角電極１４の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００６２】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。図６を参照して、本実施の形態の構成は、実施の形態１の構成と比較して、フォトニック結晶２とアノード電極（電流注入用電極）１４との構成において異なる。
【００６３】
本実施の形態のフォトニック結晶２においては、第１の屈折率を有する媒質（たとえばｎ型のＧａＮクラッド層２）の表面に、二次元回折格子として正方格子を構成するように第２の屈折率の部分（たとえば孔２ａ）が設けられている。
【００６４】
各孔２ａの中心と、これと最も近い４個の孔２ａの中心との距離は等しい値であり、孔２ａのピッチはたとえば１２０ｎｍであり、孔２ａの直径はたとえば６０ｎｍである。
【００６５】
またアノード電極（電流注入用電極）１４は、たとえば単位電極単体よりなっており、二次元フォトニック結晶２の正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有している。ここで正方格子の方位に合わせた四角形状とは、図７に示すように、半導体レーザ素子３０をアノード電極１４側から平面的に見たときに４つの角部の各々が孔２ａの真上に位置するように構成された四角形を意味している。
【００６６】
なお、これ以外の本実施の形態の構成については上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。また本実施の形態の製造方法も実施の形態１の製造方法とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
【００６７】
また、本実施の形態の半導体レーザ素子３０の発光方法については、二次元回折格子として正方格子が用いられているため、その点において実施の形態１と異なる。
【００６８】
図８は、二次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。図８を参照して、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。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、活性層１２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。
【００６９】
二次元回折格子（フォトニック結晶層）２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次元格子内の間隔はｂである。
【００７０】
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。
【００７１】
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ていく。格子点Ｔから格子点Ｗに向けて回折される光は、格子群Ｖに従って回折される。
【００７２】
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。このため、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の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、二次元回折格子２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。
【００７３】
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、二次元回折格子２の主面に対して垂直方向（図１５中紙面に垂直な方向）にも回折が強くなることを意味している。これにより、二次元回折格子２の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面１３ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。
【００７４】
さらに、二次元回折格子２では、上記の説明が任意の格子点Ｗにおいて行われたことを考慮すると、上記のような光の回折は二次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって二次元的に相互に結合していると考えられる。二次元回折格子２では、この二次元的結合によって２つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００７５】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様、アノード電極１４が二次元フォトニック結晶２の正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有しているため、光の取り出し効率を高くできるとともに、発振強度のムラを抑制することができる。以下、そのことを従来例と比較して詳細に説明する。
【００７６】
図９は、従来例におけるアノード電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。図９を参照して、実施の形態１で説明したように発光強度は、格子の配列方向に沿ったアノード電極１１４の寸法に依存する。このため、円形のアノード電極１１４の場合には、二次元格子配列が正方格子であるときにも、円形電極１１４の周囲の発光領域Ｓ１ｂは平面的に見て三角形となる。また円形電極１１４の外形の円弧に沿って発光強度が不均一になる。
【００７７】
これに対して本実施の形態においては、図７を参照して、アノード電極１４が二次元フォトニック結晶２の正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有している。このため、四角形のアノード電極１４の格子配列に沿った点Ｃ２１から点Ｃ２２までの寸法は点Ｃ２３から点Ｃ２４までの寸法と同じとなる。よって、点Ｃ２１から点Ｃ２２までの格子配列に沿った光の強度は、点Ｃ２３から点Ｃ２４までの格子配列に沿った光の強度と同じとなる。これにより、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、四角電極１４の各辺の周囲に生じる発光領域Ｓ２ａは平面的に見て長方形となる。また四角電極１４の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００７８】
このように本実施の形態によれば、従来において三角形であった発光領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また四角電極１４の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００７９】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。図１０を参照して、本実施の形態の構成は、実施の形態１の構成と比較して、アノード電極（電流注入用電極）１４の構成において異なる。
【００８０】
本実施の形態のアノード電極（電流注入用電極）１４は、たとえば単位電極単体よりなっており、中抜きされた六角の枠状よりなっている。
【００８１】
なお、これ以外の本実施の形態の構成については上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。また本実施の形態の製造方法および発光方法も実施の形態１の製造方法とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
【００８２】
本実施の形態によれば、図１１を参照して、アノード電極１４が二次元フォトニック結晶２の三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有している。このため、実施の形態１と同様、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、六角電極１４の各辺の周囲に生じる発光領域Ｓ３ａは平面的に見て長方形となる。また六角電極１４の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００８３】
このように本実施の形態によれば、従来において三角形であった発光領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また六角電極１４の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００８４】
また六角電極１４が中抜きされた枠状に形成されているため、中抜きされた中央部分からも光を取り出すことが可能となる。これにより、さらに多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率をさらに高めることができる。
【００８５】
なお六角電極１４を中抜きした場合でも、六角電極１４により注入された電流は六角電極１４の中央部へ広がる。このため、実施の形態１の中抜きを有しない六角形のベタ電極の場合と同じ電流注入効果が得られる。
【００８６】
なお上記においては、アノード電極１４が中抜きされた六角形の枠状よりなる単位電極単体よりなる場合について説明したが、アノード電極１４は図１２に示すように単位電極を複数組合せ接続してメッシュ状（ハニカム（蜂の巣）状）とされてもよい。
【００８７】
図１１に示したようにアノード電極１４が中抜きされた六角形の枠状よりなる単位電極単体よりなる場合には、アノード電極１４からの中央部への電流の広がりには限界があるため、アノード電極１４を大型化することが難しい。そこで、図１２に示すようにメッシュ状に単位電極を組合せることにより、単位電極自体は大型化することなくアノード電極１４を大型化することが可能となる。また従来例の円形のアノード電極の場合には隙間なく組合せ接続することはできないが、外形形状が六角形の場合には隙間なく接続することが可能となる。
【００８８】
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。図１３参照して、本実施の形態の構成は、実施の形態２の構成と比較して、アノード電極（電流注入用電極）１４の構成において異なる。
【００８９】
本実施の形態のアノード電極（電流注入用電極）１４は、たとえば単位電極単体よりなっており、中抜きされた四角の枠状よりなっている。
【００９０】
なお、これ以外の本実施の形態の構成については上述した実施の形態２の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。また本実施の形態の製造方法および発光方法も実施の形態２の製造方法とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
【００９１】
本実施の形態によれば、図１４を参照して、アノード電極１４が二次元フォトニック結晶２の正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有している。このため、実施の形態２と同様、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、四角電極１４の各辺の周囲に生じる発光領域Ｓ４ａは平面的に見て長方形となる。また四角電極１４の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００９２】
このように本実施の形態によれば、従来において三角形であった発光領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また四角電極１４の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００９３】
また四角電極１４が中抜きされた枠状に形成されているため、中抜きされた中央部分からも光を取り出すことが可能となる。これにより、さらに多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率をさらに高めることができる。
【００９４】
なお四角電極１４を中抜きした場合でも、四角電極１４により注入された電流は四角電極１４の中央部へ広がる。このため、実施の形態２の中抜きを有しない四角形のベタ電極の場合と同じ電流注入効果が得られる。
【００９５】
なお上記においては、アノード電極１４が中抜きされた四角形の枠状よりなる単位電極単体よりなる場合について説明したが、アノード電極１４は図１５に示すように単位電極を複数組合せ接続してメッシュ状とされてもよい。
【００９６】
図１４に示したようにアノード電極１４が中抜きされた四角形の枠状よりなる単位電極単体よりなる場合には、アノード電極１４からの中央部への電流の広がりには限界があるため、アノード電極１４を大型化することが難しい。そこで、図１５に示すようにメッシュ状に単位電極を組合せることにより、単位電極自体は大型化することなくアノード電極１４を大型化することが可能となる。また従来例の円形のアノード電極の場合には隙間なく組合せ接続することはできないが、外形形状が四角形の場合には隙間なく接続することが可能となる。
【００９７】
（実施の形態５）
図１６は、本発明の実施の形態５における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を概略的に示す平面図である。図１６を参照して、本実施の形態の構成は、図１２に示す構成と比較して、ボンディングパッド部１４ａが追加されている点において異なる。ボンディングパッド部１４ａは、中抜きされた六角形の枠状の単位電極がメッシュ状に組合わされた電極１４の最外周部から外方へ延びるように形成されており、かつ電極１４と一体的に形成されている。ボンディングパッド部１４ａには、ボンディングワイヤ１５が電気的に接続されている。
【００９８】
なお、これ以外の本実施の形態の構成については上述した図１２に示す構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９９】
本実施の形態によれば、ボンディングパッド部１４ａを設けたことにより、メッシュ状の電極１４にボンディングワイヤ１５を電気的に接続する必要がなくなる。このため、ボンディングワイヤ１５が発光領域を遮光することもなくなり、さらに光取り出し効率を高めることができる。
【０１００】
なお上記においては中抜きされた六角形の枠状の単位電極を組合せた電極にボンディングパッド部１４ａを電気的に接続した場合について説明したが、図１５に示すように中抜きされた四角形の枠状の単位電極を組合せた電極にボンディングパッド部１４ａが電気的に接続されてもよく、この場合にも上記と同じ効果を得ることができる。
【０１０１】
（実施の形態６）
図１７は、本発明の実施の形態６における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を概略的に示す平面図である。また図１８は、図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う概略断面図である。
【０１０２】
図１７および図１８を参照して、本実施の形態の構成は、実施の形態１の単位電極１４を複数個分離して配列するとともに、各単位電極１４上を透明電極１６で覆うことにより複数の単位電極１４同士を電気的に接続した構成を有している。この透明電極１６は、その最外周部から外方へ延びるように形成され、かつ透明電極１６と一体的に形成されたボンディングパッド部１６ａを有している。このボンディングパッド部１６ａにはボンディングワイヤ１５が電気的に接続されている。
【０１０３】
なお、これ以外の本実施の形態の構成については上述した図１に示す構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１０４】
本実施の形態によれば、複数配列された六角形の単位電極１４を透明電極１６で電気的に接続することができるため、発光領域を大面積化することができる。また透明電極１６は電流注入用の電極である必要がないため（つまりオーミック電極である必要がないため）、材質選択の自由度が大きくなり、発生する光に対して透明な材質を選択することができる。
【０１０５】
なお上記においては複数配列された六角形の単位電極１４を透明電極１６で電気的に接続した場合について説明したが、図６に示すように四角形の単位電極１４が複数配列され、それらが透明電極により電気的に接続されてもよく、この場合にも上記と同じ効果を得ることができる。
【０１０６】
なお上記の実施の形態においては六角形状の単位電極は三角格子に対して図１９の点線で示すような位置関係で形成されているが、実線で示す位置関係で形成されていてもよい。また上記の実施の形態においては四角形状の単位電極は正方格子に対して図２０の点線で示すような位置関係で形成されているが、実線で示す位置関係で形成されていてもよい。
【０１０７】
また上記の実施の形態１〜６においては、フォトニック結晶２が活性層１２よりもカソード電極側に位置する構成について説明したが、図２１に示すようにフォトニック結晶２が活性層１２よりもアノード電極１４側に位置していてもよい。この場合、半導体レーザ素子３０は、たとえば基板１上に、ｎ型クラッド層１１と、活性層１２と、ｐ型クラッド層１３と、二次元回折格子としてのフォトニック結晶２と、ｐ型クラッド層２１と、コンタクト層２２とが順に形成された構成を有し、かつ基板１の裏面にカソード電極３が形成され、コンタクト層２２の表面にアノード電極１４が形成された構成を有している。
【０１０８】
また上記の実施の形態においては、基板１の材質としてｎ型のＧａＮについて説明したが、基板１の材質はこれに限定されるものではなく、導電性ＳｉＣ、ＩｎＰ、ＧａＡｓであっても良い。上述した導電性ＧａＮおよび導電性ＳｉＣは青〜紫外の領域の発光素子に用いられ、ＩｎＰおよびＧａＡｓは赤外〜赤の領域の発光素子に用いられる。
【０１０９】
また孔２ａ内には空気が満たされた場合について説明したが、空気以外の気体が満たされていてもよく、また固体が満たされていてもよい。この場合、孔２ａを埋め込む材料、つまり低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）などを用いることができる。ただし、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるためには、孔２ａは何も埋め込まない状態（気体、たとえば空気が存在する状態、より厳格には、後に説明する接合工程における雰囲気に含まれる気体が存在する状態）であることが好ましい。このように屈折率の差を大きくとると、第１の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。
【０１１０】
また上記の実施の形態においては、電流注入用電極１４の平面的な外形形状が六角形または四角形の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明は二次元フォトニック結晶の二次元回折格子の方位に合わせた多角形状を有する電流注入用電極全てに適用することができる。
【０１１１】
今回開示された実施の形態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】
【０１１２】
本発明は、二次元回折格子を備え、面発光が可能な半導体発光素子に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を概略的に示す平面図である。
【図４】二次元回折格子として、格子間隔がａである三角格子を描いた図面である。
【図５】従来例におけるアノード電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態２における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を概略的に示す平面図である。
【図８】二次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。
【図９】従来例におけるアノード電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。
【図１１】アノード電極の平面形状が中抜きされた六角形の枠状である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１２】中抜きされた六角形の枠状よりなる単位電極が複数個組み合わされたメッシュ状の電極を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を分割して示す斜視図である。
【図１４】アノード電極の平面形状が中抜きされた四角形の枠状である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１５】中抜きされた四角形の枠状よりなる単位電極が複数個組み合わされたメッシュ状の電極を示す平面図である。
【図１６】本発明の実施の形態５における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を概略的に示す平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態６における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を概略的に示す平面図である。
【図１８】図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図１９】六角形の電極の変形例を説明するための平面図である。
【図２０】四角形の電極の変形例を説明するための平面図である。
【図２１】フォトニック結晶層が活性層よりもアノード電極側に位置する場合の構成を示す概略断面図である。
【図２２】非特許文献１に開示された二次元フォトニック結晶レーザの構成を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  基板、２  フォトニック結晶、２ａ  孔、２ｂ  表面、３  カソード電極、１０  第１のウェハ、１１  ｎ型クラッド層、１２  活性層、１３  ｐ型クラッド層、１３ａ  光放出面、１４  アノード電極（電流注入用電極）、１４ａ，１６ａ  ボンディングパッド部、１５  ボンディングワイヤ、１６  透明電極、２０  第２のウェハ、２１  ｐ型クラッド層、２２  コンタクト層、３０  半導体レーザ素子、Ｓ１ａ，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ４ａ  発光領域。
【図１】
2006156901.tif 000003
【図２】
2006156901.tif 000004
【図３】
2006156901.tif 000005
【図４】
2006156901.tif 000006
【図５】
2006156901.tif 000007
【図６】
2006156901.tif 000008
【図７】
2006156901.tif 000009
【図８】
2006156901.tif 000010
【図９】
2006156901.tif 000011
【図１０】
2006156901.tif 000012
【図１１】
2006156901.tif 000013
【図１２】
2006156901.tif 000014
【図１３】
2006156901.tif 000015
【図１４】
2006156901.tif 000016
【図１５】
2006156901.tif 000017
【図１６】
2006156901.tif 000018
【図１７】
2006156901.tif 000019
【図１８】
2006156901.tif 000020
【図１９】
2006156901.tif 000021
【図２０】
2006156901.tif 000022
【図２１】
2006156901.tif 000023
【図２２】
2006156901.tif 000024