(57)【要約】【課題】電流狭窄構造を別途設けることなく、容易に作製できる２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】２次元フォトニック結晶面発光レーザは、第１および第２半導体層と、前記第１半導体層と、前記第２半導体層とに挟まれ、キャリア注入によって、光を発生する活性層とを備え、前記第１半導体層は、前記活性層側とは反対側に複数の凸部を有し、前記複数の凸部のうちの全部または一部によって２次元フォトニック結晶構造を形成する。【選択図】図１
2011108935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２半導体層と、
前記第１半導体層と、前記第２半導体層とに挟まれ、キャリア注入によって、光を発生する活性層とを備え、
前記第１半導体層は、前記活性層側とは反対側に複数の凸部を有し、前記複数の凸部のうちの全部または一部によって２次元フォトニック結晶構造を形成することを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
前記第１半導体層における前記活性層側の反対側に設けた第１電極と、
前記第２半導体層における前記活性層側に設けた第２電極とをさらに備え、
前記第１半導体層は、第１クラッド層を有し、
前記第２半導体層は、第２クラッド層を有し、
前記凸部の径は深さ方向に沿って徐々に変化し、
前記活性層側とは反対側で、前記凸部以外の前記第１半導体層には、前記凸部を形成する材料の第１屈折率とは異なる第２屈折率の埋め込み材料が埋め込まれている、請求項１記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記第１クラッド層の屈折率は、前記第２クラッド層の屈折率よりも高い、請求項１または請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記第１クラッド層の厚さは、０．３μｍ〜１．０μｍである、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１半導体層の前記活性層側とは反対側の主面における半導体が占める面積の割合を表面側ＦＦとし、
前記第１半導体層において、前記凸部以外の部分の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側ＦＦとし、
前記表面側ＦＦと前記活性層側ＦＦとは異なる値である、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項６】
前記活性層側ＦＦは、前記表面側ＦＦよりも大きい、請求項５に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項７】
前記表面側ＦＦは０．８以下であって、前記活性層側ＦＦは０．８以上である、請求項６に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項８】
第２半導体層上に活性層を積層し、
前記活性層上に、第１半導体層を積層した後に、
前記第１半導体層において、複数の凸部のうちの全部または一部によって２次元フォトニック結晶構造を形成するべく、前記活性層側とは反対側に前記複数の凸部を形成する、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元フォトニック結晶を用いることで共振させて、面発光する２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザは、基板面から略垂直にレーザ光を射出することができる、複数のレーザ素子を２次元に集積すること（２次元アレイ化）ができる、および、各レーザ素子からコヒーレントな光を並列的に射出することができるなどの様々な特徴から、例えば、ストレージ分野、通信分野および情報処理分野などの各分野へ様々な応用が期待され、研究、開発が進んでいる。
【０００３】
面発光レーザでは、キャリア注入によって光を発生する活性層を多層膜反射鏡（ＤＢＲ）で上下に挟み込む構造が一般的な基本構造として採用されるが、この他、例えば、２次元フォトニック結晶を用いるものがある。ここで、フォトニック結晶は、一般的に光の波長と同程度もしくはより小さい周期的な屈折率分布を内部に備える光学素子である。フォトニック結晶には３次元的な屈折率分布を持つ３次元フォトニック結晶や、２次元的な屈折率分布を持つ２次元フォトニック結晶などがある。フォトニック結晶は、半導体において原子核の周期ポテンシャルによって電子（電子波）がブラック反射を受けてバンド構造が形成される現象と同様に、周期的な屈折率分布によって光波がブラッグ反射を受けて光に対するバンド構造（フォトニックバンド構造）が形成されるという特徴を有している。この特徴を利用して、フォトニック結晶によって、様々な光の制御が可能になると期待されている。
【０００４】
例えば、２次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、２次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するものである。例えば、特許文献１には従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザについて記載されている。図１９は従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す斜視図である。具体的には、図１９に示すように、この２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、概略、基板１０１上に下部クラッド層１０２、活性層１０３、上部クラッド層１０４が積層され、下部クラッド層１０２には活性層１０３の近傍に２次元フォトニック結晶１２０が内蔵されている。
【０００５】
基板１０１は、例えば、ｎ型ＩｎＰの半導体材料からなる。下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４は、例えば、それぞれｎ型およびｐ型ＩｎＰの半導体層であり、これらは、活性層１０３よりも屈折率が低い。２次元フォトニック結晶１２０は、下部クラッド層１０２に空孔（フォトニック結晶周期構造体１２１）を形成することで構成される。また、空孔内にはＳｉＮ等を充填してもよい。これにより、下部クラッド層１０２の２次元フォトニック結晶１２０は屈折率の異なる媒質が２次元の周期で配列された正方格子や三角格子からなっている。活性層１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、キャリアの注入により発光する。２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４により活性層１０３を挟んだダブルヘテロ接合を形成し、キャリアを閉じ込めて発光に寄与するキャリアを活性層１０３に集中させるようになっている。
【０００６】
基板１０１の底面および上部クラッド層１０４の上面には金等からなる下部電極１０６および上部電極１０７が形成されている。これら下部電極１０６および上部電極１０７に電圧を印加することにより活性層１０３が発光し、活性層１０３から漏れた光が２次元フォトニック結晶１２０に入射する。２次元フォトニック結晶１２０の格子間隔に波長が一致する光は、２次元フォトニック結晶１２０により共振して増幅される。これにより、上部クラッド層１０４の上面（電極１０７の周囲に位置する発光領域１０８）からコヒーレントな光が面発光される。
【０００７】
ここで、図２０に示すような正方格子からなる２次元フォトニック結晶１２０の共振作用について説明する。図２０は２次元フォトニック結晶面発光レーザの共振作用を示す説明図である。２次元フォトニック結晶１２０は、下部クラッド層１０２内に空孔１２１が形成されることで構成されている。空孔１２１が直交する２方向に同じ周期で形成されていて正方格子が構成されている。正方格子はΓ−Ｘ方向とΓ−Ｍ方向の代表的な方向を有している。Γ−Ｘ方向に隣接する空孔１２１の間隔をａとすると、空孔１２１を格子点とした一辺がａの正方形からなる基本格子Ｅが形成されている。ここで、波長λが基本格子Ｅの格子間隔ａに一致する光ＬがΓ−Ｘ方向に進行すると、光Ｌは格子点でブラッグ回折される。このうち、光Ｌの進行方向に対して０°、±９０°、１８０°の方向に回折された光のみが２次のブラッグ回折条件を満たす。さらに、０°、±９０°、１８０°の方向に回折された光の進行方向にも格子点が存在するため、回折光は再度進行方向に対して０°、±９０°、１８０°方向に回折する。光Ｌが１回または複数回のブラッグ回折を繰り返すと、回折光が元の格子点に戻るため共振作用が生じる。また、紙面に垂直な方向に回折された光も１次のブラッグ回折条件を満たす。このため、共振によって増幅された光が上部クラッド層１０４を介して出射され、面発光機能を有することになる。また、全ての格子点でこの現象が生じるため、面内全域でコヒーレントなレーザ発振が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３９８３９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、下部クラッド層１０２において、下部クラッド層１０２の空孔（フォトニック結晶周期構造体１２１）を除く部分の媒質が連続しているので、電流注入が不要な領域にも電流が拡がる。電流注入が不要な領域に電流が流れないようにするには、２次元フォトニック結晶面発光レーザに電流狭窄構造（例えば、酸化狭窄構造、プロトン注入構造や埋め込み再成長を用いた構造など）を別途設ける必要がある。このような電流狭窄構造を別途設けることで、２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する上で、製造工程が増加してしまう。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、電流狭窄構造を別途設けることなく、容易に作製できる、２次元フォトニック結晶面発光レーザ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】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明の一態様に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、第１および第２半導体層と、前記第１半導体層と、前記第２半導体層とに挟まれ、キャリア注入によって、光を発生する活性層とを備え、前記第１半導体層は、前記活性層側とは反対側に複数の凸部を有し、前記複数の凸部のうちの全部または一部によって２次元フォトニック結晶構造を形成する。
【００１３】
これにより、凸部と凸部の間が凹部により電気的に絶縁されるため、複数の凸部のうちの全部または一部は、２次元フォトニック結晶として機能するだけでなく、電流狭窄構造として機能する。よって、電流狭窄構造を別途設けることなく、容易に作製できる、２次元フォトニック結晶面発光レーザを実現できる。
【００１４】
また、上述の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第１半導体層における前記活性層側の反対側に設けた第１電極と、前記第２半導体層における前記活性層側に設けた第２電極とをさらに備え、前記第１半導体層は、第１クラッド層を有し、前記第２半導体層は、第２クラッド層を有し、前記凸部の径は深さ方向に沿って徐々に変化し、前記活性層側とは反対側で、前記凸部以外の前記第１半導体層には、前記凸部を形成する材料の第１屈折率とは異なる第２屈折率の埋め込み材料が埋め込まれている。
【００１５】
このように、凸部の径を深さ方向に沿って徐々に変化させた構造であることから、２次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、光閉じ込め効果の向上および凸部形成を容易に行うことができる。それにより、低閾値化、高効率化、短波長化等を容易に行うことができる。また、第１半導体層の凸部以外の部分に埋め込み材料が埋め込まれていることから、第１半導体層の上面が平坦化されているため、第１半導体層上に容易に電極を形成することができる。また、第１半導体層の凸部以外の部分に埋め込み材料が埋め込まれていることから、第１クラッド層における凸部が大気に露呈されることはない。それにより、第１クラッド層は酸化されにくく、２次元フォトニック結晶面発光レーザの劣化を防ぐことができる。
【００１６】
また、上述の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第１クラッド層の屈折率は、前記第２クラッド層の屈折率よりも高いことが好ましい。
【００１７】
このように、第１クラッド層の屈折率を高くすることで、２次元フォトニック結晶構造が形成されたとしても、第１クラッド層の平均屈折率が低下しすぎることがない。それにより、フォトニック結晶層に分布する光の割合の減少を防ぐことから結合係数の低下を防ぐことができる。
【００１８】
また、上述の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第１クラッド層の厚さは、０．３μｍ〜１．０μｍであることが好ましい。
【００１９】
これにより、第１クラッド層の厚さが厚すぎないので、アスペクト比が小さいフォトニック結晶構造を有することとなる。そのため、第１クラッド層に形成する凸部の加工が容易である。例えば、エッチング加工をする場合に、エッチング加工の難度が低い。
【００２０】
また、上述の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記第１半導体層の前記活性層側とは反対側の主面における半導体が占める面積の割合を表面側ＦＦとし、前記第１半導体層において、前記凸部以外の部分の底面を含む平面を仮想した場合に、この仮想した平面における半導体が占める面積の割合を活性層側ＦＦとし、前記表面側ＦＦと前記活性層側ＦＦとは異なる値であることが好ましい。
【００２１】
これにより、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶の結合係数κの値を高くし、かつ、第１クラッド層による光閉じ込め効果を向上させることが可能である。また、凸部の加工が容易である。
【００２２】
また、上述の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記活性層側ＦＦは、前記表面側ＦＦよりも大きいことが好ましい。
【００２３】
これにより、第１半導体層におけるフォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、活性層側に近づくほど凸部が太くなるテーパ形状を有する。そのため、活性層側に近づくほど凸部が細くなるテーパ形状に比べて、容易に作製することができる。
【００２４】
また、上述の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記表面側ＦＦは０．８以下であって、前記活性層側ＦＦは０．８以上であることが好ましい。
【００２５】
これにより、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶における高い結合係数κ、かつ、第１クラッド層による光閉じ込め効果を向上させることが可能である。また、凸部の加工が容易である。
【００２６】
また、本発明の他の一態様に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、第２半導体層上に活性層を積層し、前記活性層上に、第１半導体層を積層した後に、前記第１半導体層において、複数の凸部のうちの全部または一部によって２次元フォトニック結晶構造を形成するべく、前記活性層側とは反対側に前記複数の凸部を形成する。
【００２７】
これにより、電流狭窄構造を別途設けることなく、２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造できるので、製造工程の増加を防止することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、電流狭窄構造を別途設けることなく、容易に作製できる２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。
【図２】結合係数κとFilling Factorを計算により求めるために用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザのモデル構成を示す断面図である。
【図３】１次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。
【図４】第１クラッド層のＡｌ組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。
【図５】第１クラッド層の厚さと光閉じ込めの強さの関係を求めるために用いたレーザのモデル構成を示す断面図である。
【図６】転送行列法を用いて求めた第１クラッド層厚さとコンタクト層にしみだす光の割合との関係を表すグラフである。
【図７】１次元結合波理論および２次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。
【図８】２次元結合波理論を用いて求めた、第１クラッド層のＡｌ組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの要部拡大図である。
【図１０】埋め込み材料の深さが０．５２μｍの場合の表面側ＦＦ（Filling Factor）および活性層側ＦＦ（Filling Factor）に対する計算結果を示すグラフであって、図１０（Ａ）は結合係数κの値を示すグラフであり、図１０（Ｂ）はコンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。
【図１１】埋め込み材料の深さが０．９２μｍの場合の表面側ＦＦ（Filling Factor）および活性層側ＦＦ（Filling Factor）に対する計算結果を示すグラフであって、図１１（Ａ）は結合係数κの値を示すグラフであり、図１１（Ｂ）はコンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第１の断面工程図であって、図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）は各工程図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第２の断面工程図であって、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は各工程図である。
【図１４】パターンが形成された状態のレジスト層の平面図である。
【図１５】本本発明の実施の形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザの電極の構成を示す平面図であって、図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）はそれぞれ異なる形状の電極の構成を示す平面図である。
【図１６】本発明の実施の形態に係る他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を説明するための断面工程図であって、図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）は各工程図である。
【図１７】本発明の実施の形態に係るさらに他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を説明するための断面工程図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係る他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。
【図１９】従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す斜視図である。
【図２０】２次元フォトニック結晶面発光レーザの共振作用を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。図１において、実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、基板１と、基板１の一方の主面上に形成された第２半導体層である第２クラッド層２と、第２クラッド層２上に形成された活性層３と、活性層３上に形成されるキャリアストップ層４と、キャリアストップ層４上に形成された第１クラッド層５と、第１クラッド層５上に形成されたコンタクト層６と、コンタクト層６上に形成された絶縁層１４と、絶縁層１４を貫通し、コンタクト層６とオーミック接触する円環状（リング状、ドーナツ状）の第１電極７と、基板１における前記一方の主面に対向する他方の主面上の全面に形成された第２電極８とを備えて構成される。なお、絶縁層１４上において第１電極７が形成されていない箇所は光が発光される発光面９である。また、第１クラッド層５およびコンタクト層６には第１電極７側（活性層３と反対側）から加工がなされることで形成された凸部１０ａの間の凹部に埋め込み材料１０が埋め込まれている。第１クラッド層５およびコンタクト層６には、複数の凸部１０ａが周期的に配置されるように形成されている。それにより、コンタクト層６、第１クラッド層５およびキャリアストップ層４からなる第１半導体層は、２次元フォトニック結晶構造を有する。なお、第１電極７側から加工がなされるので、凸部１０ａは、コンタクト層６において第１電極７と接する側の表面には少なくとも形成されている。このフォトニック結晶構造は、活性層３でレーザ発振する光の波長を選択する。なお、前記凹部の径は深さ方向に沿って徐々に変化している。したがって、凸部１０ａの径は深さ方向に沿って徐々に変化している。具体的には、積層方向に沿った面による断面形状において、凸部１０ａおよび凸部１０ａ以外の埋め込み材料１０はいわゆるテーパ形状を有する。
【００３２】
基板１は例えばｎ型のＧａＡｓ基板である。第２クラッド層２は、例えば電子をキャリアとするｎ型の半導体層であり、例えば、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓで形成されている。キャリアストップ層４は、例えばホール（正孔）をキャリアとするｐ型の半導体層であり、例えば、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓで形成されている。また、第１クラッド層５も、例えばホール（正孔）をキャリアとするｐ型の半導体層であり、例えば、ｐ型ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓで形成されている。また、コンタクト層６も、例えばホール（正孔）をキャリアとするｐ型の半導体層であり、例えば、ｐ＋型ＧａＡｓで形成されている。なお、第１半導体層および第２半導体層における各層の導電型は上述のものに限られるわけではない。例えば、埋め込みトンネル接合（ＢＴＪ：Buried Tunnel Junction）型のように、活性層の上層に、異なる導電型であるｐ型およびｎ型の半導体層を有する構造でもよい。
【００３３】
活性層３は、上述のように、第２クラッド層２（第２半導体層）と、コンタクト層６、第１クラッド層５およびキャリアストップ層４からなる第１半導体層とに挟まれており、キャリア注入によって光を発生（発光）する。なお、活性層３と第１クラッド層５との間にはキャリアストップ層４が設けられている。活性層３は、公知の一般的な材料および構造を採用することができ、使用用途に応じた波長を発光するように材料や構造などが選択される。活性層３は、例えば、３周期のＩｎＧａＡｓ井戸層、ＧａＡｓ障壁層および分離閉じ込め層（ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層）により構成されている歪み量子井戸構造とすればよい。
【００３４】
第１および第２クラッド層５、２は、活性層３の屈折率よりも低い屈折率の材料で形成され、下部および上部クラッド層の機能を兼ね備えている。また、第１クラッド層５の屈折率は、第２クラッド層２の屈折率よりも高いことが好ましい。このように、第１クラッド層５の屈折率を高くすることで、２次元フォトニック結晶構造が形成されたとしても、第１クラッド層５の平均屈折率が低下しすぎることがない。それにより、フォトニック結晶構造が形成された層に分布する光の割合の減少を防ぐことから結合係数κの低下を防ぐことができる。
【００３５】
そして、活性層３を挟んでダブルへテロ接合を形成し、キャリアを閉じ込めて、発光に寄与するキャリアを活性層３に集中させている。コンタクト層６は、第１電極７と第１クラッド層５との間に設けられ、これらを電気的に接続させている。キャリアストップ層４は、キャリアオーバーフローによって活性層３から第１クラッド層５へ向かう電子に対する電位障壁として機能する。なお、第１クラッド層５と活性層３との間にはキャリアストップ層４が設けられていなくてもよい。また、第１クラッド層５と活性層３との間に他の層が介在していてもよい。
【００３６】
第１および第２電極７および８は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）電極や金系電極などから構成され、第１および第２電極７および８間に電圧を印加することによって活性層３にキャリアが注入され、所定値以上の電圧値で活性層３が発光するようになっている。なお、第１および第２電極７および８は、導電性を有するだけでなく、発光面側においては、この２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が発光するレーザ光の波長に対して透明で、かつ導電性を有する材料を用いた透明電極であることが好ましい。したがって、例えばＩＴＯ電極とすることが好ましい。なお、発光面９側に設置された第１電極７は、開口を形成し、第２電極８は、基板１全面に形成されている。このような構成とすることで、第１電極７が形成された側の面から選択的にレーザ光が射出される。なお、第１電極７の一部または全部を透明電極とし、開口を形成せずに、発光面９の全面に第１電極７が形成された構成としもよい。これにより、透明電極を介して、レーザ光が射出される。
【００３７】
第１クラッド層５およびコンタクト層６に形成された２次元フォトニック結晶構造において、２次元の周期的な屈折率分布は、埋め込み材料１０の屈折率とは異なる屈折率の凸部１０ａが格子点として互いに異なる２方向（線形独立な２方向）に所定の周期（格子間隔、格子定数）で配列されることによって形成されている。格子点は、本実施の形態では、例えば、第１クラッド層５およびコンタクト層６に形成された錐状の凸部１０ａから構成される。なお、凸部１０ａはコンタクト層６および第１クラッド層５だけでなく、キャリアストップ層４まで到達していてもよいが、活性層３には到達しないことが好ましい。凸部１０ａが活性層３に到達、すなわちフォトニック結晶と活性層３とが近接すると、エッチング時に活性層３へのダメージが生じる可能性がある。
【００３８】
そして、従来の２次元フォトニック結晶構造とは異なり、本実施の形態では、半導体である凸部１０ａを周期的に配列させることで光閉じ込めを実現している。本実施の形態では、２次元フォトニック結晶構造が、電流が不要な領域に流れることを抑える電球狭窄構造として機能する。したがって、本実施の形態によれば、電流狭窄構造を別途設けることなく、２次元フォトニック結晶の製造が容易である。さらに、本実施の形態によれば、電流狭窄効果が得られることによって、活性層３へ効率よく電流を注入することができる。
【００３９】
なお、凸部１０ａは、本実施の形態では、例えば、第１クラッド層５をエッチングによって加工することにより形成されることから、第１クラッド層５の第１半導体層で構成されている。また、埋め込み材料１０としては、活性層３からの光を透過する必要があることから、透明絶縁材料を用いる。例えば、埋め込み材料１０は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳＯＧ（spin on glass）、ポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などのような、レーザの発振波長で透明でかつ電気的絶縁性のある材料で、電極形成の際の電極合金化工程の加熱に耐えうる耐熱性のある材料とすればよい。また、コンタクト層６上に形成される絶縁層１４は発光面９を形成し、埋め込み材料１０と同様に活性層３からの光を透過する必要があることから、埋め込み材料１０に用いた材料とすればよい。なお、埋め込み材料１０と絶縁層１４とは同一の材料としてもよいし、異なる材料としてもよい。本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００において、凸部１０ａの間の凹部に埋め込み材料１０が埋め込まれていることから、コンタクト層６の第１電極７側表面は平坦化されている。そのため、第１電極７の形成が容易である。また、コンタクト層６および第１クラッド層５には埋め込み材料１０が埋め込まれていることから、これらが露呈されることはない。つまり、コンタクト層６および第１クラッド層５は空気にさらされることがないので、酸化による素子劣化を防ぐことができる。このように、埋め込み材料１０が絶縁材料であることから、埋め込み材料１０は注入された電流を狭窄することができるので、レーザの発光効率を向上させることができる。
【００４０】
ここで、コンタクト層６の上面における半導体および埋め込み材料１０において、半導体の占める面積の割合を表面側ＦＦとし、第１クラッド層５内において、埋め込み材料１０の底面を含む平面による断面を仮想した場合に、この断面における半導体および埋め込み材料１０において、半導体の占める面積の割合を活性層側ＦＦとする。上述のように、埋め込み材料１０の断面はテーパ形状であるため、表面側ＦＦと活性層側ＦＦは異なる値となる。そして、このように、埋め込み材料１０の断面形状がテーパ状であることから、２次元フォトニック結晶の結合係数κの値が高く、かつ、光閉じ込め効果が高くすることが容易である。そして、凸部１０ａの形成が容易となる。例えば、凸部１０ａはエッチングにより形成されるが、その形成難度を低下させることができる。また、活性層側ＦＦは、表面側ＦＦよりも大きいことが好ましい。すなわち、埋め込み材料１０は活性層３に近づくほど細くなるテーパ形状を有することが好ましい。活性層３に近づくほど太くなるテーパ形状を有する凸部１０ａは、活性層３に近づくほど細くなるテーパ形状である凸部１０ａに比べて、容易に作製することができるため、容易に凸部１０ａを作製できる。また、表面側ＦＦは０．８以下であって、活性層側ＦＦは０．８以上であることが好ましい。これにより、２次元フォトニック結晶における高い結合係数κおよび第１クラッド層５による高い光閉じ込め効果を得ることができる。そして、２次元フォトニック結晶の製造が容易である。
【００４１】
また、第１クラッド層５の厚さは、第１クラッド層５の屈折率にもよるが０．３μｍ〜１．０μｍ程度が好ましい。さらに好ましくは、０．５μｍ前後とすればよい。それにより、アスペクト比が小さくなり凸部１０ａの形成が容易であり、光閉じ込め効果も十分得ることができる。なお、第１クラッド層５が薄すぎると光閉じ込めが不十分になり、第１電極７による光の吸収が問題になる、一方、第１クラッド層５が厚すぎると、アスペクト比が高くなり凸部１０ａの形成が困難となる。
【００４２】
上述の本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、第１電極７および第２電極８間に電圧が印加されることで、注入された電流をコンタクト層６および第１クラッド層５に形成された２次元フォトニック結晶構造が電流狭窄し、活性層３が発光する。活性層３から漏れた光がコンタクト層６および第１クラッド層５に形成された２次元フォトニック結晶構造に入射し、その格子間隔に波長が一致する光は、２次元フォトニック結晶により共振して増幅され、発光面９からコヒーレントな光が発光される。
【００４３】
ここで、このような２次元フォトニック結晶を備えたレーザの結合係数κについて説明する。このような回折格子結合型のレーザにおける重要なパラメータとして、回折格子の結合係数κがあげられる。ここで、フォトニック結晶構造は回折格子であり、２次元フォトニック結晶構造は２次元回折格子なので、２次元フォトニック結晶レーザは、通常の１次元回折格子を使ったＤＦＢレーザ（distributed feedback laser：分布帰還型レーザ）と同様に考えることができる。結合係数κは、回折格子に光が結合する割合を示す値である。結合係数κは１次元回折格子を用いたＤＦＢレーザにおいては、１次元結合波理論を用いて下記の式（１）により表される（W. Streifer他、”Coupled Wave Analysis of DFB and DBR Lasers”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE-13, No.4, pp.134, 1977参照）。
【００４４】
【数１】
2011108935.tif 000003
【００４５】
ここで、回折格子に対して垂直な方向をｘ、光伝搬方向をｚとする。また、ｋ０は自由空間での波数、β０はｚ方向の伝搬定数、Ａｑは屈折率の二乗をｚ方向についてフーリエ展開したときのｑ次成分、ε０は電界振幅であり、ε０＊（ｘ）はその共役複素数であり、Ｐは｛ε０（ｘ）ε０＊（ｘ）｝をｘ方向全体に積分したものである。１次元回折格子の断面が矩形の場合は、より簡便に下記の式（２）で表される。
【００４６】
【数２】
2011108935.tif 000004
【００４７】
ここでｎ１、ｎ２は、１次元回折格子を構成する材料の屈折率であり、ｍはブラッグ回折の次数であり、Γｇｒａｔｉｎｇは１次元回折格子層に分布する光の割合（光閉じ込め係数）であり、ｗは１次元回折格子における溝の幅であり、Λは１次元回折格子の周期である。式（２）から分かるように、結合係数κは、「１次元回折格子を構成する材料の屈折率差」、「１次元回折格子層に分布する光の割合」、「１次元回折格子における溝の幅」により決まる。
【００４８】
式（２）を用いて、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける結合係数κとFilling Factor（以下、ＦＦという）すなわち２次元フォトニック結晶構造全体における高屈折率部分の割合との関係を計算により求める。なお、ＦＦは、具体的には（１−ｗ／Λ）で表される。このように、１次元回折格子（１次元フォトニック結晶構造）の場合は、１から、１次元フォトニック結晶構造における周期に対する溝の割合を減じた値であるが、２次元フォトニック結晶構造の場合は、２次元フォトニック結晶の単位格子を考えたときに、単位格子における凹部（低屈折率材料）の面積の割合を１から減じた値である。なお、計算においては、２次元フォトニック結晶面発光レーザとしては、図２に示した構成の２次元フォトニック結晶面発光レーザを用いる。図２は結合係数κとFilling Factorを計算により求めるために用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザのモデル構成を示す断面図である。なお、図２においては、計算には用いないため、電極については省略している。図２において、基板２１は屈折率が３．５２４であるＧａＡｓとし、厚さは無限大とした。第２クラッド層２２は屈折率が３．３０６であるＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓとし、厚さは２．０μｍとした。活性層２３はＳＣＨ−ＭＱＷ（Multiple Quantum Well：多重量子井戸）構造であり、屈折率が３．５３９であり、厚さは０．１４４μｍとした。また、キャリアストップ層２４は屈折率が３．１９５であるＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓとし、厚さは０．０４μｍとした。また、第１クラッド層２５のうちフォトニック結晶構造を有していない箇所２５ｂは屈折率が３．３０６であるＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓとし、厚さは０．０４μｍとした。また、第１クラッド層２５のうちフォトニック結晶構造を有している箇所２５ａは屈折率が３．３０６であるＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓと、屈折率が１．５である材料３０（例えばＳｉＯ２）とが、図２に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは１．９６μｍとした。また、コンタクト層２６は屈折率が３．５２４２であるＧａＡｓと、屈折率が１．５である材料３０（例えばＳｉＯ２）とが、図２に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは０．０２μｍとした。また、コンタクト層２６の上層には屈折率が１．０の空気が無限大の厚さで設けられていることとした。このような、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、回折次数ｍを２と仮定して、式（２）を用いて、結合係数κとＦＦとの関係を求める。なお、上述のように、式（２）は１次元回折格子（１次元フォトニック結晶構造）における計算式であるが、２次元フォトニック結晶の場合の計算においても、簡便な近似として用いることができる。なお、Γｇｒａｔｉｎｇはスラブ導波路を仮定し、転送行列法で計算した。また、光の波長としては９８０ｎｍを仮定した。
【００４９】
式（２）により計算した結果を図３に表す。図３は１次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。なお、フォトニック結晶に形成される凸部が柱状の場合について、まず計算する。図３に示すように、ＦＦは結合係数κに大きく依存し、ＦＦ＝０．９付近で極大値を持つ。２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、結合係数κが大きいほど、フォトニック結晶構造による特性がより強く生じるため、好ましい。しかし、ＦＦ＝０．９とすると、１次元フォトニック結晶構造とした場合は、その周期に対して溝の幅が０．１であることから、例えば周期を３００ｎｍとすると、溝の幅が３０ｎｍとなり、パターン形状が微細化するため製造が困難である。また、２次元フォトニック結晶としても、直径１００ｎｍ程度の円柱状の凸部を形成する必要があり、パターン形状が微細化するため製造が困難である。より具体的には、１次元フォトニック結晶構造であれば、一般的なレーザとして上部クラッド層である第１クラッド層２５の厚さを２μｍとすればエッチング深さは１．９μｍ程度必要であることから、アスペクト比は６０となり、２次元フォトニック結晶構造であればアスペクト比は２０となり、非常に高いアスペクト比の周期構造が必要である。したがって、加工難度が高い。
【００５０】
また、一般的に、１次元フォトニック結晶構造を有するレーザにおいては、結合係数κは１０００ｃｍ−１以上が必要であるとされている（D. Ohnishi他、Optics Express, vol.12, No.8, pp.1562, 2004参照）。しかし、図３に示された極大値は５００ｃｍ−１であることから、図２に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成では好ましい特性を得ることはできない。これは、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、第１クラッド層２５の表面から加工することでフォトニック結晶構造を形成することから、上部クラッド層である第１クラッド層２５に低屈折率材料である材料３０が充填された部分が形成されているため、第１クラッド層２５全体の平均屈折率が低下し、Γｇｒａｔｉｎｇが小さくなっているためであると考えられる。
【００５１】
結合係数κを増加させるためには、例えば、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓである第１クラッド層２５のうち、Ａｌの組成を変化させて、第１クラッド層２５の屈折率を増加させる方法が考えられる。具体的には、Ａｌの組成を４０％から０％へと減少させた場合について、式（２）を用いて計算を行い、その計算結果を図４に示す。図４は第１クラッド層のＡｌ組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図４に示されているように、Ａｌの組成を３０％以下とした場合は、結合係数κの極大値が、上述した必要とされる値である１０００ｃｍ−１を超えている。また、さらにＡｌの組成を下げることで、結合係数κは５０００ｃｍ−１以上となり、大幅に向上していることが分かる。このように、第１クラッド層２５の屈折率を高く設計することで、十分な結合係数κを得ることができる。
【００５２】
また、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、高アスペクト比の周期構造を有することから、加工が困難である点を改善するためには、第１クラッド層２５の厚さを薄くすればよい。しかし、薄すぎると第１クラッド層２５の光閉じ込め効果が弱くなり、第１電極７による光吸収が増大し、発振閾値が上昇するという問題が生じる。それにより、発振しないという問題も生じ得る。そこで、十分な光閉じ込め効果を有する第１クラッド層２５の厚さを計算により求める。この計算には、図５に示す構成のレーザを用いた。図５は、第１クラッド層の厚さと光閉じ込めの強さの関係を求めるために用いたレーザのモデル構成を示す断面図である。図５に示すように、第２クラッド層に光閉じ込め効果を算出するため用いたモデルは、ｎ型のＧａＡｓ基板である基板３１と、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓで形成された第２クラッド層３２と、活性層３３と、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓで形成されたキャリアストップ層３４と、ｐ型ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓで形成された第１クラッド層３５と、ｐ＋型ＧａＡｓで形成されたコンタクト層３６とが順次積層された構成である。また、光の波長は先ほどの計算と同様に、９８０ｎｍを仮定している。
【００５３】
図５に示したモデルにおいて、第１クラッド層３５のＡｌ組成を、通常のレーザで用いられる４０％とした場合の第１クラッド層３５の厚さとコンタクト層３６にしみだす光の割合を計算して、図６に示す。さらに、Ａｌの組成が０％の場合に、第１クラッド層３５とコンタクト層３６とに回折格子（１次元もしくは２次元）を形成した場合に、そのＦＦを変化させて第１クラッド層３５の厚さとコンタクト層３６にしみ出す光の割合とを計算し、図６に示す。なお、ＦＦは、０．９から０．６まで変化させている。図６は、転送行列法を用いて求めた第１クラッド層厚さとコンタクト層にしみだす光の割合との関係を表すグラフである。図６に示すように、結合係数κが最適の値となる、ＦＦ＝０．９の場合は、コンタクト層３６にしみだす光の割合が、回折格子がない場合に比べると１桁以上増加しており、第１クラッド層３５の光閉じ込め効果が弱いことが分かる。一方、ＦＦを０．８以下にすれば、通常のＡｌ組成４０％よりも強い光閉じ込め効果が得られる。この場合、第１クラッド層３５の厚さは、０．５〜１μｍまたはそれ以下の厚さという、通常のレーザにおける上部クラッド層の厚さよりも薄い状態であっても、十分に強い光閉じ込め効果が得られる。したがって、第１クラッド層３５の厚さは、０．３μｍ〜１．０μｍ程度が好ましい。さらに好ましくは、０．５μｍ前後とすればよい。それにより、十分な光閉じ込め効果を得ながら、アスペクト比が小さくなる。それにより、凸部の形成が容易になる。具体的には、エッチング加工の難度が下がる。
【００５４】
上述のように、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける結合係数κの増加およびアスペクト比を減少させる方法について、計算により求めた。しかし、上述の計算において用いた式（２）は、１次元回折格子（１次元フォトニック結晶構造）におけるものである。１次元フォトニック結晶構造に関する式であっても、２次元フォトニック結晶構造の解析において、近似的に用いることができるが、以下ではより厳密な解を求めるために、２次元フォトニック結晶における結合係数κの厳密な解法を用いて、同様の計算を行う。なお、２次元フォトニック結晶構造における厳密な解法は、「K. Sakai他、”Coupled-wave model for square-lattice two-dimensional photonic crystal with transverse-electric-like mode”, Applied Physics Letters, vol.89, 021101 (2006)」に示されている２次元回折格子に対する２次元の結合波理論を用いればよい。まず、図２に示したモデルを用いて、結合係数κとＦＦの関係について求める。各層の屈折率および厚さも上述した値と同一とする。また、格子点形状は真円を仮定し、１次元（１Ｄ）の場合および２次元（２Ｄ）の場合のどちらも１８０°方向への回折に対する結合係数κを計算した。
【００５５】
図７は１次元結合波理論および２次元結合波理論を用いて求めた結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図７に示されているように、１次元フォトニック結晶構造の場合（１Ｄ計算）の極大値に対して、２次元フォトニック結晶構造の場合（２Ｄ計算）の極大値は、０．５倍程度になっている。このことから、上述したように、一般的に、２次元フォトニック結晶レーザの結合係数κを１次元結合波理論で近似的に見積もった場合は、低閾値発振には１０００ｃｍ−１以上の結合係数κが必要である。ここで、図７に示された結果より、２次元フォトニック結晶レーザの結合係数を２次元結合波理論で見積もった場合には、５００ｃｍ−１以上が必要であると考えられる。また、２次元結合波理論を用いて、第１クラッド層２５のＡｌ組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を計算により求める。なお、計算においては、図４に示したグラフを求めた条件と同様の条件について、結合係数κとFilling Factorとの関係を計算し、その計算結果を図８に表す。図８は、２次元結合波理論を用いて求めた、第１クラッド層のＡｌ組成を変化させた場合の結合係数κとFilling Factorとの関係を表すグラフである。図４と図８を比較すればわかるように、両者は若干の違いはあるが、どちらもＦＦ＝０．９〜０．９５で極大値を取るという同じ傾向を示している。したがって、１次元結合波理論を用いて、２次元フォトニック結晶の解析を行うことは有効な近似であることがわかる。
【００５６】
上述した計算結果より、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶構造のＦＦは０．９近傍が好ましい。しかし、クラッド層の光閉じ込めおよび加工難易度の点からは、ＦＦは０．８以下が好ましく、さらに好ましくは０．７以下である。このように、好ましいＦＦの値が異なるが、これら好ましい条件を共に含むこととするために、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける２次元フォトニック結晶構造の断面形状をテーパ状とすることが好ましい。つまり、凸部１０ａ（図１を参照）において、断面形状において表面側ＦＦと活性層側ＦＦとが異なっていることとすれば好ましい。図９は、本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの要部拡大図である。具体的には、図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００におけるフォトニック結晶構造部分の拡大図である。なお、表面側ＦＦとは、コンタクト層６の主面の内、発光面側の主面におけるＦＦをいう。また、活性層側ＦＦとは、第１クラッド層５に形成された埋め込み材料１０の底面に沿った面１０ｂにおけるＦＦをいう。
【００５７】
以下、好ましい表面側ＦＦおよび活性層側ＦＦの値について、計算により求める。計算には、図２に示した構成のモデルを用い、第１クラッド層２５以外は条件も上述したものと略同じとする。第１クラッド層２５については、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＡｓであってＡｌ組成は０％とする。具体的には、第１クラッド層２５のうちフォトニック結晶構造を有していない箇所２５ｂは屈折率が３．５２４２であるＡｌ０．０Ｇａ１．０Ａｓとし、厚さは０．０４μｍとした。また、第１クラッド層２５のうちフォトニック結晶構造を有している箇所２５ａは、屈折率が３．５２４２であるＡｌ０．０Ｇａ１．０Ａｓと、屈折率が１．５である材料３０とが、図２に示すように交互に周期的に形成されていて、厚さは０．５μｍまたは０．９μｍとした。また、第１クラッド層２５およびコンタクト層２６における材料３０の深さ（埋め込み材料の深さ）も変更する。なお、埋め込み材料の深さは、材料３０の深さ方向の長さに当たる。具体的には、第１クラッド層２５全体の厚さは０．５４μｍまたは０．９４μｍとして計算する。なお、第１クラッド層２５全体の厚さを０．５４μｍとする場合は、フォトニック結晶構造を有している箇所２５ａの厚さは０．５μｍとし、第１クラッド層２５全体の厚さを０．９４μｍとする場合は、フォトニック結晶構造を有している箇所２５ａの厚さは０．９μｍとする。また、コンタクト層２６の厚さは、０．０２μｍであることから、なお、第１クラッド層２５全体の厚さを０．５４μｍとする場合の埋め込み材料の深さは、０．５２μｍであり、第１クラッド層２５全体の厚さを０．９４μｍとする場合の埋め込み材料の深さは、０．９２μｍである。
【００５８】
なお、２次元結合波理論を用いて計算する。そして、表面側ＦＦおよび活性層側ＦＦの値をそれぞれ０．０〜１．０まで変化させたときの１８０°方向への回折の結合係数κおよびコンタクト層２６へしみだした光の割合を計算する。図１０は埋め込み材料の深さが０．５２μｍの場合の表面側ＦＦ（Filling Factor）および活性層側ＦＦ（Filling Factor）に対する計算結果を示すグラフであって、図１０（Ａ）は結合係数κの値を示すグラフであり、図１０（Ｂ）はコンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。なお、埋め込み材料の深さとは、埋め込み材料を埋め込んだ回折格子の深さと同一である。
【００５９】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）より、埋め込み材料の深さが０．５２μｍの場合は、活性層側ＦＦが０．８以上であれば表面側ＦＦの広い範囲において、結合係数κは５００ｃｍ−１以上である。特に表面側ＦＦが０．９付近では結合係数κは１５００ｃｍ−１を超えている。また、表面側ＦＦが０．８以下であれば第１クラッド層２５およびコンタクト層２６を合わせた厚さが約０．５μｍ（正確には、０．５６μｍ）と薄いにもかかわらず、コンタクト層２６へのしみだしは０．０１％以下であることから、十分な光閉じ込め効果が得られているといえる。したがって、活性層側ＦＦは０．８以上が好ましく、さらに好ましくは０．９以上である。また、表面側ＦＦは０．８以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めが両立できるという効果を奏する。なお、表面側ＦＦが小さすぎると、２次元フォトニック結晶構造における凸部が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の平面視においてコンタクト層６の面積が小さいほど、それらの上に形成される第１電極７の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題も生じる（図１参照）。したがって、表面側ＦＦが小さすぎるのは好ましくなく、表面側ＦＦは０．４以上とすることが好ましい。
【００６０】
また、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、製造において、半導体を積層後、半導体表面からエッチング等を行って凸部１０ａを形成した後に、その凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料１０を埋め込むことでフォトニック結晶構造を形成する。このような加工方法を用いることを考えると、加工難度の点から、活性層側ＦＦが表面側ＦＦと同一または大きいことが好ましい。つまり、フォトニック結晶構造積層方向に沿った面による断面形状において、凸部１０ａは活性層側に近づくほど太くなるテーパ形状の円錐台体あるいはテーパ形状でなく円柱体であることが好ましい。
【００６１】
次に、埋め込み材料の深さが０．９μｍの場合の表面側ＦＦおよび活性層側ＦＦに対する計算結果について説明する。図１１は埋め込み材料の深さが０．９２μｍの場合の表面側ＦＦ（Filling Factor）および活性層側ＦＦ（Filling Factor）に対する計算結果を示すグラフであって、図１１（Ａ）は結合係数κの値を示すグラフであり、図１１（Ｂ）はコンタクト層へしみだした光の割合を示すグラフである。
【００６２】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）より、埋め込み材料の深さが０．９２μｍの場合は、活性層側ＦＦが０．８以上であれば表面側ＦＦの全範囲において、結合係数κは５００ｃｍ−１以上である。特に表面側ＦＦが０．９付近では結合係数κは２０００ｃｍ−１を超えている。また、表面側ＦＦが０．９以下であれば第１クラッド層２５およびコンタクト層２６を合わせた厚さが約１．０μｍ（正確には、０．９６μｍ）と薄いにもかかわらず、コンタクト層２６へのしみだしは０．０１％以下であることから、十分な光閉じ込め効果が得られているといえる。したがって、活性層側ＦＦは０．８以上が好ましく、さらに好ましくは０．９以上である。また、表面側ＦＦは０．９以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めとが両立できるという効果を奏する。なお、表面側ＦＦが小さすぎると、２次元フォトニック結晶構造における半導体の部分が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の平面視においてコンタクト層６の面積が小さいほど、それらの上に形成される第１電極７の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題も生じる（図１参照）。したがって、表面側ＦＦが小さすぎるのは好ましくなく、０．４以上とすることが好ましい。
【００６３】
また、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、製造において、半導体を積層後、半導体表面からエッチング等を行って凸部１０ａを形成した後に、その凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料１０を埋め込むことでフォトニック結晶構造を形成する。このような加工方法を用いることを考えると、加工難度の点から、活性層側ＦＦが表面側ＦＦと同一または大きいことが好ましい。
【００６４】
なお、上述の計算においては、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓである第１クラッド層２５のＡｌ組成を０％とし、その厚さを０．５４μｍ、０．９４μｍとしている。ここで、Ａｌ組成を高くして、第１クラッド層２５の平均屈折率を低くすれば、第１クラッド層２５の厚さを０．３μｍ以下程度にしても、十分な光閉じ込め効果を得ることができる。したがって、さらに加工難度を低下させることができる。なお、加工難度が高くなっても、加工が可能であれば、第１クラッド層２５の厚さを０．５４μｍより厚い、例えば０．７５μｍ〜１．０μｍにすることで、図１０と図１１との比較から分かるように、結合係数κの値を全体的に大きくするとともに、コンタクト層２６にしみだす光の割合を小さくすることができる。それにより、結合係数κが５００ｃｍ−１よりも大きい値を得ることができるＦＦの範囲が広くなる、およびコンタクト層２６への光のしみだしをさらに低減でき、上部電極での光の吸収をさらに抑制できることが分かる。
【００６５】
上述したように、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００（図１参照）においては、第１導電層クラッド層５を含む第１半導体層に２次元フォトニック結晶構造を形成する。これにより、第１クラッド層５の平均屈折率を活性層３に比べて大幅に低くできる。そのため、第１クラッド層５としては、通常の半導体レーザに比べて屈折率が高い組成の材料を用いることができる。さらに第１クラッド層５の厚さが、通常の半導体レーザに比べて薄くても十分な光閉じ込め効果を得ることができる。例えば、９８０ｎｍ帯のレーザにおいて、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓを第１クラッド層５とした場合に、Ａｌ組成は４０％〜６０％とするのが一般的である。また、第１クラッド層５の厚さは、１．５〜２．０μｍ程度が一般的だが、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００においては、第１クラッド層５のＡｌ組成は０％〜２０％、厚さは０．５〜１．０μｍとすれば、十分な光閉じ込め効果を得ることができる。
【００６６】
したがって、２次元フォトニック結晶構造のアスペクト比・深さを低くできるため、加工難度が低下する。具体的には、凸部１０ａをエッチングにより容易に形成できる。また、Ａｌ組成が低いため、特にＡｌを含む材料で問題になる、Ａｌの酸化による素子劣化の問題が低減される。また、Ａｌ組成が低いため、第１クラッド層５の電気抵抗・熱抵抗が低くなり、素子特性が向上する。また、第１クラッド層５にＧａＮ系を用いた場合に、Ａｌ組成が下がることによって、上記に加えて結晶性の悪化が避けられる。また、第１クラッド層５にＡｌＧａＮを用いた場合に、Ａｌ組成を下げてＡｌ組成がゼロのＧａＮを第１ククラッド層として用いることができる。それにより、ＡｌＧａＮ系材料で一般的な課題であるｐ型化が困難であるという問題も避けることができる。
【００６７】
次に、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について図面を用いて説明する。図１２は本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第１の断面工程図であって、図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）は各工程図である。図１３は本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を示す第２の断面工程図であって、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は各工程図である。なお、図１３は、図１２に示した工程後の工程図である。具体的には、ＧａＡｓ基板上で活性層としてＩｎＧａＡｓを用いた９８０ｎｍ帯の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。なお、他の波長帯の材料系、例えばＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系材料、ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮや、ＡｌＧａＮ系でも以下の説明と同様に製造すればよい。
【００６８】
図１２（Ａ）に示すように、まずｎ型ＧａＡｓで形成される基板１上に有機金属気相成長（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ)法などにより、半導体レーザ構造を順次成長する。具体的には、基板１上にｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓにより形成される第２クラッド層２（厚さ２．０μｍ）、無添加のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層３、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓにより形成されるキャリアストップ層４（厚さ４０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓにより形成される第１クラッド層５（厚さ０．５μｍ）、ｐ＋型ＧａＡｓにより形成されるコンタクト層６（厚さ２０ｎｍ）が順次、積層形成される。ここで、活性層３は、３周期のＩｎＧａＡｓ井戸層（厚さ８ｎｍ）、ＧａＡｓ障壁層（厚さ２０ｎｍ）および分離閉じ込め層（ＳＣＨ層）（厚さ２０ｎｍ）で構成されている歪み量子井戸構造であり、量子井戸発光波長が９８０ｎｍになるように設計されている。なお、本実施の形態においては、上述の結晶成長工程は、一回でよいので、容易に２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造できる。
【００６９】
次に図１２（Ｂ）に示すように、エッチングマスク層１１としてＳｉＯ２（ＳｉＮや金属（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ等）でもよい）をプラズマＣＶＤ、スパッタ、蒸着等でコンタクト層６上に成膜、続いてその上にレジスト層１２(電子線レジスト、インプリント材料等)をスピンコート等の方法で成膜する。
【００７０】
その後、図１２（Ｃ）に示すように、電子線描画法やナノインプリント法を用いて、２次元フォトニック結晶構造パターンをレジスト層１２に形成し、レジスト層１２に形成したパターンをＲＩＥ（reactive ion etching：反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）などのドライエッチングによってエッチングマスク層１１に転写する。パターンは、具体的には円柱状の凸部１３である。なお、波長９８０ｎｍの光を面発光させる場合は２次元フォトニック結晶構造パターンの周期としては、２９０ｎｍ程度とし、パターンである凸部１３の直径は５０〜２００ｎｍ程度とすればよい。なお、図１４はパターンが形成された状態のレジスト層の平面図である。図１４に示すように、円柱状の凸部１３が例えば２０μｍ角以上の範囲に規則性を有して配列されている。なお、凸部１３の配列領域は正方形状、長方形状、円形状などとすればよい。
【００７１】
また、本実施の形態においては、２次元フォトニック結晶構造を、真円形状の格子点を正方向死配列させた構造としているが、格子点形状として三角形・楕円形・Ｖ字型など、公知の形状を用いてもよい。さらに、配列としては三角格子配列や大きさの異なる格子点の複合型・フォトニック準結晶など、公知の構造を用いてもよい（特開２００３−２３１９３号公報、特開２００７−２７３７３０号公報、特開２００６−５９８６４号公報、特開２００４−２９６５３８号公報等参照）。
【００７２】
次に、図１２（Ｄ）に示すように、エッチングマスク層１１をマスクとしてコンタクト層６と第１クラッド層５をＩＣＰ、ＲＩＥなどのドライエッチングでエッチングすることで凸部１０ａが形成される。エッチングガスとしては、III−Ｖ族半導体のドライエッチングに一般的に用いられているメタン／水素系ガス・塩素系ガス・ヨウ素系ガス・臭素系ガスなどを用いればよい。エッチングの際に、２次元フォトニック結晶構造の断面をテーパ形状にしてもよい。具体的には、活性層側ＦＦを表面側ＦＦよりも大きくしてもよい。その場合のエッチング方法について説明する。このような方法としては、エッチングの最初には、マスクパターン（凸部１３）を所定の直径で形成しておき、エッチングを進めていくことによるマスクの後退を利用して、マスクパターンの直径が徐々に狭まるようすることで、凸部１０ａの上下の径を異ならしめる方法がある。また、エッチングガスによってはエッチレートがＡｌ組成で大きく変わる性質を利用すると、キャリアストップ層４をエッチストップ層として利用することもできる。
【００７３】
エッチングにより形成された凸部１０ａにおいて、活性層側ＦＦは０．８以上が好ましく、さらに好ましくは０．９以上である。また、表面側ＦＦは０．８以下とすることが好ましい。これにより、高い結合係数κと強い光閉じ込めが両立できるという効果を奏する。なお、表面側ＦＦが小さすぎると、２次元フォトニック結晶構造における凸部１０ａ（半導体の部分）が薄くなり構造的に弱くなるという問題が生じる。さらに、第１電極７の面積が小さくなるため電気抵抗が高くなるという問題を防ぐために、表面側ＦＦは０．４以上とすることが好ましい。
【００７４】
なお、上記エッチングは活性層３に到達する前に停止させる必要がある。より具体的には、第１クラッド層５のすべてをエッチングせずに途中でエッチングを停止すればよい。これにより、上記エッチングによる活性層３へのダメージを抑制することができ、発光効率の減少を避けることができる。具体的には、エッチングは、活性層３の手前５０ｎｍから活性層３の直前までとすればよい。凸部と凸部との間の凹部の底面が活性層３に近いほどフォトニック結晶構造の結合係数κは大きくなるが、近すぎるとプラズマによる活性層３へのダメージが生じる可能性があるためである。
【００７５】
ここで、上述したフォトニック結晶の断面形状をテーパ形状とするための具体的な条件を示す。上述のように、エッチングマスク層１１はＳｉＯ２として、ｐ＋型ＧａＡｓにより形成されるコンタクト層６およびｐ型ＧａＡｓにより形成される第１クラッド層５をＲＩＥ装置を使用して、ドライエッチングする。エッチングガスはＢＣｌ３とし、ガス流量は２ｓｃｃｍとし、圧力は５ｍＴｏｒｒとし、ＲＦ電力は１００Ｗとし、エッチング時間は３分間とした。その結果、周期は２９０ｎｍであり、深さは４００ｎｍの凸部１０ａを形成することができた。そして、その表面側ＦＦは０．６５であり、活性層側ＦＦは０．８４であり、断面においてテーパ形状をもつ２次元フォトニック結晶構造を形成することができた。
【００７６】
次に図１３（Ａ）に示すように、エッチングマスク層１１をバッファードフッ酸などで除去した後に、凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料１０を埋め込む。例えば上述のように、埋め込み材料１０は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳＯＧ（spin on glass）、ポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などのような、レーザの発振波長で透明でかつ電気的絶縁性のある材料で、電極形成の際の電極合金化工程の加熱に耐えうる耐熱性のある材料とすればよい。また埋込方法としてはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）などの化学気相体積（ＣＶＤ）法、スパッタ法、スピンコート法などを使うことができる。このように、凹部に埋め込み材料１０を埋め込むことにより、コンタクト層６の上面が平坦になり、コンタクト層６の上面への電極形成が容易になる。また、コンタクト層６および第１クラッド層５の凸部１０ａが露呈されないため、酸化による素子劣化を受けにくい。
【００７７】
このように構成することによって、凸部１０ａを流れる電子は、凸部と凸部との間の凹部に埋め込まれた埋め込み材料１０に流入できないため、電流狭窄効果を得ることができる。
【００７８】
次に図１３（Ｂ）に示すように、（ウェットまたはドライ）エッチングを用いて、コンタクト層６上に成膜された埋め込み材料１０を除去して、コンタクト層６を露出させる。なお、埋め込み材料１０はエッチングするが、コンタクト層６はエッチングしないように方法および条件を選択することで、コンタクト層６がエッチングされてしまうことを防ぐことができる。
【００７９】
次に図１３（Ｃ）に示すように、デバイス全面に絶縁層１４を形成する。なお、絶縁層１４の材料および成膜方法は、図１３（Ａ）で示した埋め込み材料１０を成膜する場合と同様である。すなわち、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳＯＧ（spin on glass）、ポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）などの化学気相体積（ＣＶＤ）法、スパッタ法、スピンコート法などにより成膜する。絶縁層１４の厚さによっては、面発光でレーザ光を取り出すときの反射防止層として絶縁層１４を機能させることもできるため、この際に、絶縁層１４の厚さを調整すればよい。次に、図１３（Ｄ）に示すように、絶縁層１４において第１電極７を形成する部分を開口１４ａとするために、フォトリソグラフィーとドライエッチングを行う。この際、埋め込み材料１０と絶縁層１４の材質を意図的に異なる材料とし、エッチング条件を適切に選択することによって、絶縁層１４を選択的にエッチング除去することも可能である。これによって、絶縁層１４をエッチングするときに、エッチングを余分に行ったとしても、埋め込み材料１０がエッチングされてしまうことを防ぐことができる。
【００８０】
次に、図１３（Ｅ）に示すように、フォトリソグラフィーとリフトオフによって第１電極７を形成する。第１電極７としては、ｐ＋型ＧａＡｓであるコンタクト層６にオーミック接触する材料であればよい。なお、２次元フォトニック結晶構造形成領域の一部（発光面９）は第１電極７により覆われないこととする。それにより、２次元フォトニック結晶構造により回折され垂直方向に放射される光を発光面９から外部に取り出すことができる。図１５は本発明の実施の形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザの電極の構成を示す平面図であって、図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）はそれぞれ異なる形状の電極の構成を示す平面図である。図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）に示すように、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶構造形成領域２７において、電極２８を配置すればよい。電極２８の形状は、例えば円形または矩形とすればよい。そして、電極２８の中央部分には電極が形成されない形状（図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）参照）、例えばドーナッツ形状等としてもよいし、電極２８をフォトニック結晶構造形成領域２７に比べて小さい形状（図１５（Ｃ）および図１５（Ｄ）参照）としてもよい。それにより、フォトニック結晶構造形成領域２７において、電極２８が形成されない箇所が存在し、その箇所から光を取り出すことができる。
【００８１】
さらに、基板１の底面に第２電極８を形成することで、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が製造される。
【００８２】
また、本発明の実施の形態に係る他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。図１６は本発明の実施の形態に係る他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を説明するための断面工程図であって、図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）は各工程図である。本発明の実施の形態に係る他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、図１３（Ａ）に示された工程の後に、図１６（Ａ）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングによって埋め込み材料１０の一部に開口１０ｃを形成することでコンタクト層６を露出させる。そして、図１６（Ｂ）に示すように、開口１０ｃに第１電極７を形成する。そして、基板１の底面に第２電極を形成することで２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する。これにより、図１３（Ｃ）に示すような、絶縁層１４を形成する必要がないことから、製造工程が短縮化されるという効果を奏する。
【００８３】
また、本発明の実施の形態に係るさらに他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。図１７は本発明の実施の形態に係るさらに他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を説明するための断面工程図である。本発明の実施の形態に係るさらに他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、図１３（Ａ）の工程において、図１７に示すように凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料１０を埋め込む際に、凹部すべてに埋め込むのではなく、凹部に空気の部分（空孔１０ｄ）を残留させるように埋め込む。本実施の形態では、埋め込み材料１０の活性層３側に空気の層が形成される。具体的には、埋め込み方法がＣＶＤ法やスパッタを用いる場合は、成膜条件を調整することでこのような埋め込み方は可能である。また、埋め込み方法が、スピンコートの場合は、例えば、埋め込み材料１０として粘度が高い材料を使うことでこのような埋め込み方は可能である。また、まず、別基板にスピンコートにより埋め込み材料１０を形成しておき、凸部１０ａが形成されたデバイスにその埋め込み材料１０を押し付けて、凸部と凸部との間の凹部の途中まで埋め込み材料１０を埋め込むこととしてもよい。なお、凹部における空孔１０ｄの深さは０．１μｍ以上であって、凹部のすべての深さから０．１μｍ減じた深さとすればよい。つまり、埋め込み材料１０が埋め込まれる量は、凹部に０．１μｍだけ埋め込まれた状態と、凹部の底部まで０．１μｍしかない状態まで埋め込まれた状態との間とすればよい。埋め込み材料１０を埋め込み後は、図１３（Ｂ）以降に示された工程を行えばよい。これにより、埋め込み材料１０の一部に空気を含む、２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。空気の屈折率は一般的に低いことから、この２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、第１クラッド層５およびコンタクト層６に形成された２次元フォトニック結晶構造の屈折率差を大きくすることができる。それにより、２次元フォトニック結晶構造の回折効率が向上する。したがって、２次元フォトニック結晶面発光レーザの低閾値化・高効率化につながる。なお、凹部に不活性ガス等を注入した状態で埋め込み材料１０を埋め込むことで、凹部には空気の代わりに不活性ガス等を残留させてもよい。また、空孔１０ｄを真空状態としてもよい。それにより、凸部が酸化により劣化することを防ぐことができる。
【００８４】
本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法においては、上述のように、融着を用いずに製造するため、融着を行うことで生じる可能性の高い、デバイスへのダメージが生じず、製造時に不良品が生じる可能性がほとんどない。さらに、融着においては、デバイスに反りやうねりが存在すると行うことはできないという問題もあるが、本実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法においては、融着を用いないことから、不良品が生じる可能性が低く、歩留まりが高く、容易に製造を行うことができる。また、用いる材料は特に、限定されることがなく、一般的に用いられる材料を使って、容易に、２次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。また、凸部と凸部との間の凹部に埋め込み材料を埋め込んで、第１半導体層（コンタクト層）の上面を平坦化するので、第１半導体層（コンタクト層）上への電極形成を容易に行うことができる。
【００８５】
なお、本発明の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、図１８に示すように、光を基板１側から取り出す構成としてもよい。図１８は本発明の実施の形態に係る他の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面図である。具体的には、基板１が取り出す光の波長帯に対して透明な材料とすればよい。そして、例えば、図１３（Ｂ）に示した工程の後に、第２電極８をコンタクト層６上の全面に形成し、基板１の底面に、取り出す光の波長帯に対して透明な材料である絶縁層１４を形成し、その絶縁層１４を貫通して基板１と接触する第１電極７を形成すればよい。これにより、基板１側に発光面９が形成された２次元フォトニック結晶面発光レーザが実現できる。なお、図１８においては、第１電極７を発光面９の全面に形成せず、開口を有する構成とし、開口からレーザ光が射出される構成とした。しかし、これ以外の構成でもよく、例えば、第１電極７の一部または全部を透明電極とし、開口を形成せずに、発光面９の全面に第１電極７が形成された構成としもよい。これにより、透明電極を介して、レーザ光が射出される。
【００８６】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００８７】
１、２１、３１  基板
２、２２、３２  第２クラッド層
３、２３、３３  活性層
４、２４、３４  キャリアストップ層
５，２５、３５  第１クラッド層
６、２６、３６  コンタクト層
７              第１電極
８              第２電極
９              発光面
１０            埋め込み材料
１０ａ、１３    凸部
１０ｂ          面
１０ｃ、１４ａ  開口
１０ｄ          空孔
１１            エッチングマスク層
１２            レジスト層
１４            絶縁層
２５ａ、２５ｂ  箇所
２７            フォトニック結晶構造形成領域
２８            電極
３０            材料
１００          ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１０１          基板
１０２          下部クラッド層
１０３          活性層
１０４          上部クラッド層
１０６          下部電極
１０７          上部電極
１０８          発光領域
１２０          ２次元フォトニック結晶
１２１          フォトニック結晶周期構造体
２００          ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
【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１０】
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【図１１】
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