(57)【要約】【課題】フォトニック結晶発光素子の耐熱性を向上させ、かつ効率を高める。【解決手段】フォトニック結晶発光素子１０００は、３次元フォトニック結晶１００を用いている。該フォトニック結晶は、共振器１１０を形成する第１の欠陥、該共振器で発生した光を外部へ取り出す導波路１２０を形成する第２の欠陥および該共振器で発生した熱を外部へ放出する放熱部１３０を形成する第３の欠陥を有する。フォトニック結晶は、共振器の内部に配置された活性部１８０、Ｐ型半導体からなるＰクラッド１５０およびN型半導体からなるNクラッド１６０により構成されている。第３の欠陥の少なくとも一部は半導体で構成されている。共振器と放熱部の光の結合効率が共振器と導波路の光の結合効率よりも低く、かつ活性部から放熱部に伝導して放出される熱が活性部から導波路に伝導して放出される熱よりも多い。【選択図】図１
2011134944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元フォトニック結晶を用いた発光素子であって、
前記フォトニック結晶は、共振器を形成する第１の欠陥、該共振器で発生した光を外部へ取り出す導波路を形成する第２の欠陥および該共振器で発生した熱を外部へ放出する放熱部を形成する第３の欠陥を有し、
前記フォトニック結晶は、前記共振器の内部に配置された活性部、Ｐ型半導体からなるＰクラッドおよびN型半導体からなるNクラッドにより構成され、
前記第３の欠陥の少なくとも一部は半導体で構成されており、
前記共振器と前記放熱部の光の結合効率が前記共振器と前記導波路の光の結合効率よりも低く、かつ前記活性部から前記放熱部に伝導して放出される熱が前記活性部から前記導波路に伝導して放出される熱よりも多いことを特徴とするフォトニック結晶発光素子。
【請求項２】
前記共振器と前記導波路の光の結合効率をP１２とし、前記共振器と前記放熱部の光の結合効率をP１３とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶発光素子。
Ｐ１２／Ｐ１３＞５
【請求項３】
前記第３の欠陥は、前記共振器の共振波長において光の導波モードを持たないことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶発光素子。
【請求項４】
前記第２の欠陥を構成する材料の熱伝導度が、前記第３の欠陥を構成する材料の熱伝導度よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶発光素子。
【請求項５】
前記第２の欠陥の少なくとも一部が空気で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶発光素子。
【請求項６】
前記第２の欠陥の少なくとも一部が半導体で形成されており、
該第２の欠陥を構成する半導体のドープ濃度が、前記第３の欠陥を構成する半導体のドープ濃度よりも低いことを特徴とする請求項４又は５に記載のフォトニック結晶発光素子。
【請求項７】
前記第１の欠陥と前記第３の欠陥の端面との間の距離が、前記第１の欠陥と前記第２の欠陥の端面との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶発光素子。
【請求項８】
前記第２の欠陥が前記Ｐクラッドに配置され、
前記第２の欠陥を構成する材料の電気伝導度が、前記Ｐクラッドを構成する前記Ｐ型半導体の電気伝導度よりも小さく、
前記第２の欠陥が電流狭窄構造の一部を形成していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶発光素子。
【請求項９】
前記第３の欠陥の少なくとも一部が前記N型半導体で形成され、前記Nクラッドに配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のフォトニック結晶発光素子。
【請求項１０】
前記第２の欠陥と前記第３の欠陥とが同じ方向に延びており、前記第１の欠陥に対して対向するように配置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元フォトニック結晶を含み、活性媒質にキャリアを注入することにより発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等のフォトニック結晶発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な半導体発光素子は、Ｐクラッド、活性部（Ｉ部）およびＮクラッドから構成されるＰＩＮ接合構造を有する。Ｐクラッドは、正孔が生成されるようにアクセプタがドープされており、Ｎクラッドは電子が生成されるようにドナーがドープされている。生成された両キャリアは、順バイアスをかけることによって活性部に注入される。活性部では両キャリアが結合し、活性部のエネルギーギャップに対応したエネルギーを有する自然放出光を発する。特に、へき界面等により活性部を含むように共振器を形成すると、共振器による光増幅により誘導放出光が発生し、レーザ光が生成される。
ただし、注入されたすべてのキャリアが目的とする波長光の発光に寄与するわけではない。一部のキャリアは、表面再結合等の非発光再結合で消費されたり、目的波長以外の光を発光する再結合によって消費されたりする。そして、このようなキャリアの消費は、効率を低下させる（損失となる）。
非特許文献１には、目的波長以外の光を発光する再結合による損失を低減する方法として、フォトニック結晶により自然放出を制御し、高効率な発光を得る方法が提案されている。フォトニック結晶とは、伝播する光の波長より短い周期で誘電率分布を形成した構造である。非特許文献１にて提案された方法は、フォトニック結晶が有するフォトニックバンドギャップという性質を用い、活性部の近傍に存在可能な光の波長域を制限することにより、目的とする波長以外の自然放出光を抑制するものである。
特許文献１には、フォトニック結晶レーザの構成が開示されている。特許文献１にて開示された構造では、３次元フォトニック結晶中に活性部を形成し、フォトニック結晶の外部に設けた金属電極からコンタクト層を介してフォトニック結晶中にキャリアを注入する。注入されたキャリアは、フォトニック結晶構造中を伝導し、線状欠陥で形成されたキャリア伝導路に接続され、活性部に導かれる。キャリア伝導路は、光導波路を兼ねており、活性部においてキャリア結合により発生した光は、光導波路を介してフォトニック結晶外に取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５７４２５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Physical Review Letters、Vol.58、pp.2059、1987年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１で開示された構造では、従来の半導体レーザに比べて活性部（共振器）の体積が小さいために、活性部付近の狭い領域に集中して熱が発生する。このため、活性部の温度が上昇してキャリアのオーバーフローが起こり、効率の低下を招く。また、活性部に温度変化が生じると、共振器の光学特性が変化してしまうので、この点からも温度変化が生じることは好ましくない。
また、特許文献１にて開示された構造では、発光素子の外部へ光を取り出す導波路を、ＰクラッドとNクラッドの双方に設けているため、高い取り出し効率を得るためには片側の導波路の端面に反射率の高いミラーを形成する必要がある。しかし、この方法を用いた場合、ミラーを配置した方の導波路からの反射光が共振器に戻り、ノイズとなってしまう。また、導波路が熱を通すため、導波路の光学特性が変化してしまう。
本発明は、耐熱性に優れ、高効率なフォトニック結晶発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としてのフォトニック結晶発光素子は、３次元フォトニック結晶を用いている。該フォトニック結晶は、共振器を形成する第１の欠陥、該共振器で発生した光を外部へ取り出す導波路を形成する第２の欠陥および該共振器で発生した熱を外部へ放出する放熱部を形成する第３の欠陥を有する。また、フォトニック結晶は、共振器の内部に配置された活性部、Ｐ型半導体からなるＰクラッドおよびN型半導体からなるNクラッドにより構成されている。第３の欠陥の少なくとも一部は半導体で構成されている。共振器と放熱部の光の結合効率が共振器と導波路の光の結合効率よりも低く、かつ活性部から放熱部に伝導して放出される熱が活性部から導波路に伝導して放出される熱よりも多いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、耐熱性に優れ、高効率で発光可能なフォトニック結晶発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１であるフォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。
【図２】実施例１の発光素子における３次元フォトニック結晶の構造を示す斜視図。
【図３】実施例１における３次元フォトニック結晶の各層の構造を示す平面図。
【図４】実施例１における３次元フォトニック結晶内に設けられた点状欠陥構造を示す断面図。
【図５】実施例１における３次元フォトニック結晶内に設けられた線状欠陥構造を示す断面図。
【図６】実施例１のフォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。
【図７】実施例１のフォトニック結晶発光素子における光の流れを示す図。
【図８】実施例１のフォトニック結晶発光素子における熱の流れを示す図。
【図９】実施例１のフォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。
【図１０】実施例１のフォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。
【図１１】本発明の実施例２であるフォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。
【図１２】本発明の実施例３であるフォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。
【図１３】本発明の実施例４であるフォトニック結晶発光素子の製造方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１には、本発明の実施例１であるフォトニック結晶発光素子１０００のｙｚ断面構造を示している。発光素子１０００は、３次元フォトニック結晶１００を用いて構成されており、共振器１１０、導波路１２０、放熱部１３０、Ｐ型電極１４０、Ｐクラッド１５０、Ｎクラッド１６０、Ｎ型電極１７０、活性部１８０および絶縁部１９０を有する。
第１の欠陥としての共振器１１０は、３次元フォトニック結晶１００の内部に配置された、活性部１８０からなる点状欠陥により構成されている。第２の欠陥としての導波路１２０は、Ｐクラッド１５０に配置され、Ｐ型半導体を含む線状欠陥により構成されている。第３の欠陥としての放熱部１３０は、Ｎクラッド１６０に配置され、Ｎ型半導体を含む線状欠陥により構成されている。導波路１２０と放熱部１３０は、同じ方向（ｙ軸方向）に延び、共振器１１０に対向して配置されている。
なお、導波路１２０および放熱部１３０はそれぞれ全部が半導体で構成されている必要はなく、それらの少なくとも一部がそれぞれＰ型半導体およびＮ型半導体で構成されていればよい。
Ｐ型電極１４０から注入された正孔がＰクラッド１５０を介して活性部１８０に導かれ、N型電極１７０から注入された電子がNクラッド１６０を介して活性部１８０に導かれることで、反転分布が形成される。活性部１８０において、正孔と電子が結合し、活性媒質のエネルギーギャップに対応したエネルギーを有する自然放出光が発生する。自然放出光は、共振器１１０での共振に伴う誘導放出によって増幅される。これにより、レーザ光が発生する。
従来の３次元フォトニック結晶を用いた発光素子では、活性部付近の狭い領域に集中して熱が発生するため、発光効率が低下していた。これに対し本実施例では、共振器の共振モードと放熱部の欠陥モードの重なりを、共振モードと導波路の欠陥モードの重なりよりも小さくし、共振器１１０と放熱部１３０との光の結合効率を、共振器１１０と導波路１２０の光の結合効率よりも低くしている。「結合効率」については後述する。上記のような結合効率の関係により、共振器１１０から放熱部１３０への光の漏れによる損失（光損失）を小さくし、かつ放熱部１３０に結合した光から共振器１１０に戻るノイズ（戻りノイズ）を小さくすることができる。
また、本実施例では、導波路１２０を構成する材料（半導体）のドープ濃度を、放熱部１３０を構成する材料（半導体）のドープ濃度よりも低くして、導波路１２０を構成する半導体の熱伝導度を、放熱部１３０を構成する半導体の熱伝導度よりも小さくしている。言い替えれば、活性部１８０から放熱部１３０に伝導して放出される熱が、活性部１８０から導波路１２０に伝導して放出される熱よりも多い。
一般に、半導体ではドープ濃度が高いほど、熱伝導度が大きくなる。活性部１８０で発生した熱は、熱伝導度の大きな放熱部１３０を伝導して外部に放熱され、導波路１２０には伝導しない。このため、熱による導波路１２０の光学特性の変化が生じにくい。
以上説明した本実施例の構成により、光損失や戻りノイズが小さく、耐熱性に優れた高効率なフォトニック結晶発光素子を実現することができる。
図２には、図１に示した発光素子１０００に用いられる３次元フォトニック結晶１００の構造を示している。３次元フォトニック結晶１００は、ｘｙ平面を含む互いに積層された１２の層２０１〜２１２を基本周期として構成されている。図３は層２０１〜２１２の各層のｘｙ断面（ｚ軸方向視図）の一部を示している。
第１の層２０１および第７の層２０７では、ｘ軸方向（第１の方向）に延びる複数の柱状構造２０１ａ，２０７ａが等間隔Ｐでｙ軸方向（第２の方向）に配置されている。柱状構造２０１ａ，２０７ａは、ｘ軸方向において互いにＰ／２だけずれて配置されている。
第４の層２０４および第１０の層２１０では、ｙ軸方向に延びる複数の柱状構造２０４ａ，２１０ａが等間隔Ｐでｘ軸方向に配置されている。柱状構造２０４ａ，２１０ａは、ｙ軸方向に互いにＰ／２だけずれて配置されている。
【００１１】
このように、フォトニック結晶１００は、ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造を有する柱状構造層（第１層、第７層）と、ｚ軸方向に延びる複数の柱状構造を有する柱状構造層（第４層、第１０層）とが交互に積層された基本構造を有する。
第２の層２０２および第３の層２０３では、第１の層２０１の柱状構造２０１ａと第４の層２０４の柱状構造２０４ａとのｚ軸方向視での交点（立体的な交差位置）に相当する位置に、離散構造２０２ａ，２０３ａが配置されている。離散構造２０２ａ，２０３ａは、ｘｙ平面内において互いに接しないように離散的に配置されている。第２の層２０２および第３の層２０３は、上記柱状構造層に対する付加層である。なお、離散構造２０２ａ，２０３ａは、ｘｙ面内における９０度の回転により相互に重なる対称性を有する。
第４層と第７層の間、第７層と第１０層の間および第１０層と次の基本周期における第１層の間にも、付加層としての第５層２０５と第６層２０６、第８層２０８と第９層２０９および第１１層２１１と第１２層２１２がそれぞれ配置されている。これら第５層２０５と第６層２０６、第８層２０８と第９層２０９および第１１層２１１と第１２層２１２も、第２層２０２および第３層２０３と同様に構成されている。すなわち、互いに直交する方向に延びる柱状構造を含む柱状構造層間のｚ軸方向視での柱状構造の交点に相当する位置に、離散構造２０５ａ，２０６ａ，２０８ａ，２０９ａ，２１１ａ，２１２ａが配置されている。
柱状構造層とこれに隣り合う付加層において、柱状構造と離散構造とは互いに接している。柱状構造および離散構造の材料の屈折率、形状、間隔および各層の厚さ等の構造パラメータを適切に設定することで、特定の広い周波数帯域（波長帯域）において完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。
３次元フォトニック結晶１００の詳細な構造パラメータを表１に示す。ここでは、格子周期（各柱状構造層における柱状構造の間隔）をＰとした。また、表中の屈折率は、３次元フォトニック結晶１００の柱状構造および離散構造を構成する媒質の屈折率を表している。３次元フォトニック結晶１００の柱状構造および離散構造以外の部分の媒質は空気であり、その屈折率は１.０である。
さらに、柱状構造幅Ｃｗとは、柱状構造が延びる方向に直交する方向での柱状構造の寸法であり、柱状構造高さＣｈとは、積層方向（ｚ軸方向）における柱状構造の寸法をいう。また、離散構造幅Ｄｗ１，Ｄｗ２はそれぞれ、図３に示すように、各付加層での１つの離散構造の長辺方向および短辺方向での寸法を表す。さらに、離散構造高さＤｈは、図２に示すように、離散構造の積層方向（ｙ軸方向）での寸法（図２参照）である。
【００１２】
【表１】
2011134944.tif 000003
【００１３】
図４（ａ），（ｂ）には、本実施例における共振器１１０のｘｚ断面構造およびｘｙ断面構造を示している。共振器１１０は、図１に示した３次元フォトニック結晶１００の内部に、屈折率２．４の活性媒質からなる直方体の点状欠陥４００により構成されている。点状欠陥４００は、ｘ軸方向に１．２Ｐ、ｙ軸方向に０．４Ｐ、ｚ軸方向に０．４Ｐの寸法を有する。
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）には、本実施例において導波路１２０および放熱部１３０を構成する線状欠陥５００のｘｚ断面構造および２つのｘｙ断面構造（断面ｉおよび断面ｉｉで切断したときの構造）を示している。線状欠陥５００は、第１の線状欠陥部５０１と、第２の線状欠陥部５０２とを有する。第１の線状欠陥部５０１は、ｙ軸方向に延び、幅０．６Ｐを有する。第２の線状欠陥部５０２は、第１の線状欠陥部５０１を含む層からｚ軸−方向に０．３５Ｐ離れた層に位置し、ｙ軸方向に延びる空気により形成されている。
次に、図６を用いて、共振器１１０、導波路１２０および放熱部１３０の位置関係について説明する。共振器１１０における点状欠陥４００の中心座標を、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）と定義する。
導波路１２０は、３次元フォトニック結晶１００のＰクラッド１５０に設けられた線状欠陥５００により構成されている。Ｐ型半導体で形成された第１の線状欠陥５０１の端点座標は、（０．０P，０．７５P，０．３５P）であり、該第１の線状欠陥５０１はｙ軸＋方向に延びている。このように、導波路１２０は、少なくとも一部がＰ型半導体であればよい。
放熱部１３０は、３次元フォトニック結晶１００のＮクラッド１６０に設けられた線状欠陥５００により構成されている。Ｎ型半導体で形成された第１の線状欠陥５０１の端点座標は（０．０P、−２．０P、−１．０５P）であり、該第１の線状欠陥５０１はｙ軸−方向に延びる。このように、放熱部１３０は、少なくとも一部がN型半導体であればよい。
共振器１１０、導波路１２０および放熱部１３０を図６に示すように配置したとき、図７に示すように、共振器１１０と導波路１２０の光の結合効率P１２と、共振器１１０と放熱部１３０の光の結合効率P１３との比Ｐ１２／Ｐ１３は、１３．９である。本実施例にいう「結合効率」とは、共振器１１０から導波路１２０又は放熱部１３０に流入する単位時間あたりの光エネルギーの割合であり、本実施例では、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法により算出している。
前述したように、本実施例では、共振器１１０と放熱部１３０の光の結合効率P１３を、共振器１１０と導波路１２０の光の結合効率P１２よりも低くしている。すなわち、
P１２／P１３＞１
の関係（条件）を満足するようにしている。これにより、光が共振器１１０から導波路１２０に結合するよりも共振器１１０から放熱部１３０に結合する割合の方が低くなる。このとき、共振器１１０から放熱部１３０へ光の漏れによる損失は小さくなり、放熱部１３０に結合した光から共振器１１０に戻るノイズ（戻りノイズ）も小さくすることができる。
さらに、
P１２／P１３＞５
の関係（条件）を満足すれば、放熱部１３０への光の漏れと戻りノイズをより小さくすることができ、より望ましい。
また、前述したように、本実施例では、導波路１２０を構成する半導体の熱伝導度を、放熱部１３０を構成する半導体の熱伝導度よりも小さくしている。これにより、活性部１８０で発生した熱は、図８に示すように、熱伝導度が大きな放熱部１３０を伝導してヒートシンク６００を介して外部に放熱され、導波路１２０には伝導しない。このため、熱による導波路１２０の光学特性の変化を生じにくくすることができる。
本実施例では、導波路１２０と放熱部１３０を、空気と半導体で形成された線状欠陥５００で構成し、かつ導波路１２０を構成する半導体のドープ濃度を、放熱部１３０を構成する半導体のドープ濃度よりも低くした場合について説明している。しかし、必ずしも、導波路１２０は空気と半導体で形成しなくてもよく、少なくとも導波路１２０を構成する材料の熱伝導度を放熱部１３０を構成する材料の熱伝導度よりも小さくすればよい。導波路を空気で形成すると、他の熱伝導度の小さな材料で構成する場合に比べて製作プロセスが容易というメリットが得られる。一方、半導体材料によって導波路を形成する場合でも、ドープ濃度を変えればよいので、製作プロセスは比較的容易である。
図１に示す本実施例では、放熱部１３０をＮ型半導体で形成してＮクラッド１６０に配置したが、必ずしもそのようにしなくてもよい。ただし、通常、半導体では、Ｎ型半導体の電子の移動度がＰ型半導体の正孔の移動度に比べ高い。このため、活性部付近では電子が余り、正孔が足りない状態となる。放熱部をＮクラッドに配置すると、熱と共に余剰の電子が伝導し、活性部付近での電子の余剰と正孔の不足が緩和される。このため、放熱部をＮクラッドに配置した方が、電子の余剰と正孔の不足を抑制しつつ放熱することが可能になるため、好ましい。
また、本実施例では、導波路１２０をＰクラッド１５０に配置し、導波路１２０を構成する材料の電気伝導度をPクラッド１５０を構成するP型半導体の電気伝導度より小さくした場合について説明した。しかし、必ずしも導波路をＰクラッドに配置しなくてもよいし、導波路１２０を構成する材料の電気伝導度を、Pクラッド１５０を構成するP型半導体の電気伝導度より小さくしなくてもよい。一般に、Ｐクラッドを形成するＰ型半導体より電気伝導度の小さい構造をＰクラッドに設けることで、正孔を効率良く活性部に注入し、正孔の不足を解消する電流狭窄が用いられている。導波路を構成する材料の電気伝導度がPクラッドを構成するP型半導体の電気伝導度より小さいと、導波路を電流狭窄構造の一部として使うことができるため、好ましい。
また、本実施例では、導波路１２０と放熱部１３０が同じｙ軸方向に延び、共振器１１０に対向して配置されている場合について説明したが、導波路１２０と放熱部１３０を必ずしも共振器１１０に対向して配置する必要はない。ただし、導波路と放熱部が共振器に対して同じ側に設けられていると、導波路と放熱部との間で光と熱の結合が起きる。導波路と放熱部が共振器に対して対向している方が、光と熱を分離でき、導波路の光学特性が安定するため、好ましい。
また、導波路と放熱部は必ずしも同じ方向に延びている必要はなく、図９（ａ），（ｂ）に示すように互いに異なる方向に延びていてもよい。この場合、導波路１２１と放熱部１３１が異なる方向に延びているため、導波路１２１と放熱部１３１との間で光と熱が互いに結合しにくく、この結果、光と熱を分離でき、導波路の光学特性が安定するため、好ましい。
さらに、本実施例では、線状欠陥５００により構成した１つの放熱部１３０を設けた場合について説明したが、複数の放熱部を設けてもよい。図１０（ａ），（ｂ）に示すように３つの放熱部１３２，１３３，１３４を設けることにより、放熱経路を多く形成することができるため、活性部で発生した熱を効率良く放出することができ、好ましい。
また、本実施例では、活性部１８０を点状欠陥の部分のみとし、点状欠陥以外のＰクラッド１５０とNクラッド１６０の間を絶縁部１９０とした場合について説明した。しかし、点状欠陥以外の部分も活性部になっていてもよく、線状欠陥の部分が共振器であってもよい。ただし、体積が小さい点状欠陥共振器の方が共振器ＱＥＤ（Cavity Quantum Electrodynamics）によって目的とする波長の光の自然放出が増強され、閾値の低い発振が可能となるため、好ましい。
本実施例において、共振器１１０はマルチモード共振器であってもよいが、モードホップが生じることが防げるため単一モード共振器である方がより好ましい。本実施例では、温度上昇によって共振器１１０の光学特性が変化することを防ぐことができ、共振器１１０の単一モードを維持することができる。
また、本実施例では、共振により誘導放出を生じさせてレーザ発振を行わせる発光素子について説明したが、必ずしもレーザである必要はなく、波長の広がりが小さい高効率な共振器型ＬＥＤ等の他の発光素子に本発明を適用してもよい。
また、３次元フォトニック結晶１００を構成する半導体としては、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２等を用いることができる。Ｐ型半導体とＮ型半導体は、適切なドーピングを行うことにより形成する。Ｐ型ドーパントとしてはＺｎやＭｇ等を、Ｎ型ドーパントとしてはＳｉやＳ等を用いることができる。ＴｉＯ２を用いる場合は、強還元によりＰ型領域を形成する。
活性部としては、バルクのＩ型半導体や量子井戸、量子ドット等を用いる。特に、量子ドットは、温度特性が優れているため、好ましい。
また、実施例１では、３次元フォトニック結晶１００が図２に示すいわゆるウッドパイル構造を有する場合について説明した。しかし、本発明は、３次元フォトニック結晶が、米国特許５，３３５，２４０号明細書、米国特許５，４４０，４２１号明細書および米国特許６，５９７，８５１号明細書にて開示された構造を有する場合にも適用することができる。
以上示したように、本実施例では、共振器１１０と放熱部１３０との光の結合効率Ｐ１３を、共振器１１０と導波路１２０の光の結合効率Ｐ１２よりも小さくした。これにより、共振器１１０から放熱部１３０への光の漏れによる損失を小さくし、かつ放熱部１３０に結合した光から共振器１１０に戻るノイズを小さくすることができる。また、導波路１２０を構成する材料の熱伝導度を、放熱部１３０を構成する材料の熱伝導度よりも小さくした。これにより、活性部１８０で発生した熱は放熱部１３０を伝導して外部に放熱され、導波路１２０には伝導しないようにすることができる。このため、熱による導波路１２０の光学特性の変化を生じにくくすることができる。以上のことから、本実施例によれば、光損失や戻りノイズが小さく、耐熱性に優れた高効率なフォトニック結晶発光素子を実現することができる。
【実施例２】
【００１４】
図１１には、本発明の実施例２であるフォトニック結晶発光素子のｙｚ断面構造を示している。本実施例の発光素子２０００は、実施例１の発光素子１０００の導波路１２０を導波路２２０に置き換え、放熱部１３０を放熱部２３０に置き換えたものに相当する。実施例１の発光素子１０００と同じ構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。
導波路２２０は、図５に示した線状欠陥５００により構成され、Ｐ型半導体からなる第１の線状欠陥５０１の端点座標は、（０．０P，２．０P，１．０５P）であり、該第１の線状欠陥５０１はｙ軸＋方向に延びている。
放熱部２３０も、図５に示した線状欠陥５００により構成され、Ｎ型半導体からなる第１の線状欠陥５０１の端点座標は、（０．０P，−１．５P，−１．０５P）であり、該第１の線状欠陥５０１はｙ軸−方向に延びている。このとき、共振器１１０（の中心）と導波路２２０の端面との間の距離L１２は２．２６Ｐであり、共振器１１０（の中心）と放熱部２３０の端面との間の距離L１３は１．８３Ｐである。すなわち、L１３は、L１２よりも短い。
【００１５】
共振器１１０、導波路２２０および放熱部２３０を図１１に示すように配置したとき、共振器１１０と導波路２２０の光の結合効率P１２と、共振器１１０と放熱部２３０の光の結合効率P１３との比Ｐ１２／Ｐ１３は、５．３である（ＦＤＴＤ法により算出）。すなわち、光が共振器１１０から放熱部２３０に結合する割合が、光が共振器１１０から導波路２２０に結合する割合よりも低い。このため、共振器１１０から放熱部２３０への光の漏れによる損失は小さくなり、また放熱部２３０に結合した光から共振器１１０へと戻る戻りノイズも小さくすることができる。
また、共振器１１０と放熱部２３０の端面との間の距離Ｌ１３が共振器１１０と導波路２２０の端面との間の距離Ｌ１２よりも短いため、活性部１８０から放射される熱は、放熱部２３０を伝導して外部に放熱され、導波路２２０には伝導しない。このため、熱による導波路の光学特性への変化を防ぐことができる。
【実施例３】
【００１６】
図１２には、本発明の実施例３であるフォトニック結晶発光素子のｙｚ断面構造（ａ）およびｘｙ断面構造を示している。本実施例の発光素子３０００は、実施例１の発光素子１０００の放熱部１３０を放熱部３３０に置き換えたものに相当する。実施例１の発光素子１０００と同じ構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。
放熱部３３０は、Ｎ型半導体からなる線状欠陥７００により構成され、Nクラッドに配置されている。線状欠陥７００は、幅０．６Ｐ、高さ０．０５Pを有し、その端点座標は、（０．０Ｐ，−０．５P，−０．２Ｐ）であり、ｙ軸−方向に延びている。
放熱部３３０は、共振器１１０の共振波長に対して導波モードを持たない。このため、共振器１１０と放熱部３３０の光の結合効率P１３は０となり、Ｐ１２およびＰ１３は、
Ｐ１２／Ｐ１３＞５
の関係（条件）を満足する。このため、共振器１１０に閉じ込められた光は放熱部３３０には結合せず、光の損失や戻りノイズが発生しない。
また、活性部１８０で発生した熱は放熱部を伝導して外部に放熱され、導波路１２０には伝導しない。このため、熱による導波路１２０の光学特性の変化を防ぐことができる。
【実施例４】
【００１７】
次に、実施例１〜３にて説明したフォトニック結晶発光素子の製造方法について、図１３を用いて説明する。
まず（ａ）では、フォトリソグラフィー等の方法によって半導体の周期構造８０１を作製する。次に（ｂ）では、周期構造以外の部分を犠牲層８０２で埋め、Chemical Mechanical Polishing（ＣＭＰ）等の方法によって平坦化する。そして、（ｃ）では、隙間が充填された周期構造上に（ａ）および（ｂ）の工程を繰り返して各層を積層する。
欠陥共振器を含む層について活性部８０３以外を絶縁部８０４で形成したい場合は、一度、活性部９０３以外のパターンを絶縁部８０４で形成する（ｄ）。その後、活性部８０３を、例えば電子ビーム照射による誘起化学気相堆積によって形成する（ｅ）。
導波路や放熱部を構成する欠陥を熱伝導度の異なる材料で製作する場合、導波路や放熱部は、空気で形成された欠陥８０５と、ドープ濃度を変えた半導体で形成された欠陥８０６と、絶縁体で形成された欠陥８０７とで構成すればよい。ただし、欠陥８０５，８０６はマスクパターンを変えるだけでよく（ｆ，ｇ）、欠陥８０６はドープ濃度を変えるため選択的なイオン注入を行う（ｈ）だけで製作できる。このため、製作が容易である。
一方、絶縁体で形成された欠陥８０７の場合は、欠陥８０７以外を周期構造８０１で形成し、その後、欠陥８０７を形成する必要がある。
また、Ｐ型クラッドに電流狭窄構造を形成したい場合は、選択的なアニールや選択的なイオン注入によって形成する。
なお、本実施例では、３次元フォトニック結晶を構成する各層を順次積層する手法を示したが、各層を接合することで積層構造を作製してもよい。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
耐熱性に優れ、高効率なフォトニック結晶発光素子を提供できる。
【符号の説明】
【００１９】
１０００，２０００，３０００  フォトニック結晶発光素子
１００  ３次元フォトニック結晶
１１０  共振器
１２０，２２０  導波路
１３０，２３０，３３０  放熱部
１５０  Pクラッド
１６０  Ｎクラッド
１８０  活性部
【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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