(57)【要約】【課題】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。【解決手段】フォトニック結晶内蔵基板は、化合物半導体基板と、誘電体層と、第１の半導体層と、を有する。前記誘電体層は、前記化合物半導体基板の表面に設けられ、二次元回折格子のそれぞれの格子点に配置される。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し、かつ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。前記半導体積層体は、前記誘電体層および前記化合物半導体基板の前記表面を覆いかつ平坦な第１の面を有する半導体積層体であって、前記第１の面を構成する層は前記化合物半導体基板を構成する材料と格子整合可能な材料を含む。【選択図】図１
2018093022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の表面に設けられ、二次元回折格子のそれぞれの格子点に配置された誘電体層であって、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しかつ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、誘電体層と、
前記誘電体層および前記化合物半導体基板の前記表面を覆いかつ平坦な第１の面を有する第１の半導体層であって、前記第１の面を構成する層は前記化合物半導体基板を構成する材料と格子整合可能な材料を含む、第１の半導体層と、
を備えたフォトニック結晶内蔵基板。
【請求項２】
前記誘電体層は、窒化膜または酸化膜を含む請求項１記載のフォトニック結晶内蔵基板。
【請求項３】
前記誘電体層は、窒化シリコンまたは酸化シリコンを含み、
前記第１の半導体層は、前記誘電体層に向かうにしたがってシリコン濃度が高くなる領域を有する、請求項１記載のフォトニック結晶内蔵基板。
【請求項４】
前記化合物半導体基板の前記材料は、前記第１の半導体層の前記第１の面を構成する前記層の前記材料と同一である請求項１〜３のいずれか１つに記載のフォトニック結晶内蔵基板。
【請求項５】
前記化合物半導体基板は、ＩｎＰを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載のフォトニック結晶内蔵基板。
【請求項６】
前記誘電体層は、Ｎ角柱（但し、Ｎは奇数）である請求項１〜５のいずれか１つに記載のフォトニック結晶内蔵基板。
【請求項７】
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層を表面に有する第１の半導体層を結晶成長する工程と、
を備えたフォトニック結晶内蔵基板の製造方法。
【請求項８】
前記第１の半導体層の前記表面を平坦化する工程をさらに備えた請求項７記載のフォトニック結晶内蔵基板の製造方法。  
【請求項９】
化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板の表面に設けられかつ二次元回折格子のそれぞれの格子点に配置された誘電体層と、前記誘電体層および前記化合物半導体基板の前記表面を覆いかつ平坦な第１の面を含む第１の半導体層と、を有するフォトニック結晶内蔵基板であって、前記第１の面を構成する層は前記化合物半導体基板を構成する材料と格子整合可能な材料を含み、それぞれの誘電体層は前記二次元回折格子の辺の少なくと１つに関して非対称な形状を有しかつ前記化合物半導体基板の屈折率よりも低い屈折率を有フォトニック結晶内蔵基板と、
前記第１の半導体層の前記第１の面上に設けられ、サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層 と、
を備え、
前記レーザ光は、前記活性層の表面に対して垂直方向に放出されるＴＭ波を含む、面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１０】
前記誘電体層は、窒化シリコンまはた酸化シリコンを含み、
前記第１の半導体層は、前記誘電体層に向かうにしたがってシリコン濃度が高くなる領域を有する、請求項９記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１１】
前記化合物半導体基板の前記材料は、前記第１の半導体層の前記第１の面を構成する前記層の材料と同一である請求項９または１０に記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１２】
前記化合物半導体基板は、ＩｎＰを含む請求項１０または１１に記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１３】
前記誘電体層は、Ｎ角柱（但し、Ｎは奇数）である請求項９〜１２のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。      
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１１１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のフォトニック結晶内蔵基板は、化合物半導体基板と、誘電体層と、第１の半導体層と、を有する。前記誘電体層は、前記化合物半導体基板の表面に設けられ、二次元回折格子のそれぞれの格子点に配置される。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し、かつ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。前記第１の半導体層は、前記誘電体層および前記化合物半導体基板の前記表面を覆いかつ平坦な第１の面を有する第１の半導体層であって、前記第１の面を構成する層は前記化合物半導体基板を構成する材料と格子整合可能な材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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２】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。
【図３】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４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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  を説明するグラフ図、である。
【図８】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。
【図９】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１０】第１の実施形態においてＢモードに対応する電磁界分布を表す図である。
【図１１】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１２】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１３】図１３（ａ）、（ｂ）は、三角格子を含む二次元回折格子の模式辺面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。  
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
ａ（μｍ）＝−０．０２２２＋０．３１２１λ０              （１）
【００４０】
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。
【００４１】
λｍ＝λ０／ｎ１                                              （２）
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
【数１】
2018093022.tif 000003
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【符号の説明】
【００５６】
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                                
【図１】
2018093022.tif 000004
【図２】
2018093022.tif 000005
【図３】
2018093022.tif 000006
【図４】
2018093022.tif 000007
【図５】
2018093022.tif 000008
【図６】
2018093022.tif 000009
【図７】
2018093022.tif 000010
【図８】
2018093022.tif 000011
【図９】
2018093022.tif 000012
【図１０】
2018093022.tif 000013
【図１１】
2018093022.tif 000014
【図１２】
2018093022.tif 000015
【図１３】
2018093022.tif 000016