(57)【要約】【課題】面出力型の半導体光デバイスの構造を簡単にして製造し易くする。さらに発光デバイスの他に、光増幅デバイスとしても用い得るようにする。【解決手段】半導体基板上に形成され光学遷移が起こる活性層領域と、活性層領域に形成した導波路と、活性層領域に電流を供給する電極と、を備え、半導体基板表面に沿った導波路をもち、垂直方向に光を出力する半導体光素子であって、電極は、互いに電気的に接続された導電性の物質で構成され、２次元の周期性のある形状をもち、上記の半導体光素子の導波路の近傍で導波路に沿って形成され、上記の活性層領域に電気的に接続され、上記の導波路を伝搬する光波に、フォトニック結晶として作用して導波路に垂直な方向に目的とする光を導くものであり、その周期は、ほぼ導波路を伝搬する光の波長の長さであり、その電極と半導体基板間に電流を流して、上記の活性層領域に給電する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
上記の半導体基板上に形成され光学遷移が起こる活性層領域と、
上記の活性層領域に形成した導波路と、
上記の活性層領域に電流を供給する電極と、を備え、半導体基板表面に沿った導波路をもち、導波路に垂直方向の成分を含む光を出力する半導体光素子であって、
上記の電極は、互いに電気的に接続された導電性の物質で構成され、２次元の周期性のある形状をもち、上記の半導体光素子の導波路の近傍で導波路に沿って形成され、上記の活性層領域に電気的に接続され、上記の導波路を伝搬する光波に、フォトニック結晶として作用して導波路に垂直な方向に目的とする光を導くものであり、
上記の電極と半導体基板間に電流を流して、上記の活性層領域に給電することを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項２】
上記の電極は、２層の導電層を含む構造であって、上記の導波路から比較的近い部分に導電率の比較的小さい物質を用い、比較的遠い部分に導電率の比較的大きい物質を用いた多層構造の電極で構成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】
上記の電極の材料は金属であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】
上記の活性層領域は、誘導放出による電子遷移を主とする領域であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光デバイス。
【請求項５】
上記の活性層領域は、自然放出による電子遷移を主とする領域であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光デバイス。
【請求項６】
外部からの光を上記の導波路に入力する入射導波路をさらに備え、入力した光を上記の活性層領域で増幅して出力することを特徴とする請求項４に記載の半導体光デバイス。
【請求項７】
上記の入射導波路からの光を、上記の電極を通して上記の導波路に入力する構成を備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体基板表面から光を出力する発光素子あるいは光増幅素子として用いることができる半導体光デバイスに関している。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体光デバイスは、小型で、変換効率が高く、長寿命であることが知られている。例えば、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）は、製造コストが低く、長寿命の固体素子光源であり、照明用にも大いに普及する可能性がある。また、面放射型ＬＥＤや面放射型レーザダイオードは、他の電子回路とともに１つのチップに集積することで得られる利点が大きいため注目されている。
【０００３】
しかし、通常、例えばＬＥＤ内部の光の大部分は、半導体と空気の間の屈折率が大きく異なるために半導体内に閉じ込められてしまい、光取出し効率が低下して、出力を改善する障害となっている。
【０００４】
この光取出し効率が低下する問題を克服するために、いくつかの方法が報告されている。そのひとつに、フォトニック結晶（ＰｈＣ）などの周期的な構造におけるブラッグ回折を使用することがある。さらに、二次のブラッグ回折を伴う二次元（２Ｄ）のＰｈＣを使用することであり、この方法では、面放射レーザ（ＳＥＬ）を実現することができる（特許文献１）。
【０００５】
このような事から、２Ｄ−ＰｈＣｓは次の世代のＬＥＤとＳＥＬの有望な候補であると言える。しかし、欠点としては、２Ｄ−ＰｈＣ装置のための製造プロセスは複雑である、ということがある。２Ｄ−ＰｈＣを用いた発光素子では、電流注入で作動させる必要があるためである。つまり、よく知られているように、製造プロセスでは一般的にドライエッチングが使用されるが、ＰｈＣｓを作る際にプロセスダメージが発生して、無駄な電流が増え発光効率が低下する。
【０００６】
この問題を避ける方法として、活性層と完全に切り離して２Ｄ−ＰｈＣを形成し、後に活性層とウェハ融合する方法が報告されている。しかし、本発明はウェハ融合を用いたものではなく、その構造も異なっているため、ここでは詳述しない。
【０００７】
［従来例１］  
特許文献１に開示された半導体発光デバイスは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層と、フォトニックバンド層と、光放出面とを備え、フォトニックバンド層はフォトニックバンド構造を有するものである。このフォトニックバンド層は、活性層と光学的に結合され、基板の主面が伸びる方向に沿って設けられている。
【０００８】
［従来例２］  
特許文献２には、２次元フォトニック結晶面発光レーザ、特に、キャリアの注入により発光する活性層又はその近傍に、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２次元フォトニック結晶面発光レーザが開示されている。
【０００９】
しかし、上記の特許文献１に開示された半導体発光デバイスは、フォトニックバンド層の上に更に活性層をエピタキシャル成長させるものであり、複雑な工程を用いている。
【００１０】
また、特許文献２に開示された２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶を取り囲む領域に電極を設けており、活性層に電流を均一に供給することができない。
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７３４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来のフォトニック結晶を用いた面出力型の半導体光デバイスの構造を簡単にして製造し易くするとともに、活性層領域に均一な電流供給を行なう。さらに発光デバイスとして用いるのみでなく、光増幅デバイスとしても用いる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明により、従来の製造工程に比べて、フォトニック結晶部分の製造プロセスが簡略化できる。また、フォトニック結晶部分を電極として用いるため、活性層領域への電流供給を均一にすることができる。また、その構造上外部からの光の入力も容易に出来るので、光増幅デバイスとしても用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
まず、本発明は、半導体基板と、上記の半導体基板上に形成され光学遷移が起こる活性層領域と、上記の活性層領域に形成した導波路と、上記の活性層領域に電流を供給する電極と、を備え、半導体基板表面に沿った導波路をもち、導波路に垂直方向の成分を含む光を出力する半導体光素子に関するものである。
【００１４】
上記の半導体光素子において、上記の電極はフォトニック結晶を構成するものでもある。これは、互いに電気的に接続された導電性の物質で構成し、２次元の周期性のある形状をもつようにして、上記の半導体光素子の導波路の近傍で導波路に沿って形成する。上記の電極は、上記の活性層領域に電気的に接続する。この電極は、上記の導波路を伝搬する光波に、フォトニック結晶として作用して導波路に垂直な方向に光を導くものであり、上記の２次元の周期性のある形状における周期は、そのフォトニック結晶によって実現されるフォトニックバンドの2次のガンマ点の波長が発光波長と同一になるように決定する。また、上記の電極と半導体基板間に電流を流して、上記の活性層領域に給電する。
【００１５】
上記の２次元周期性を持つ形状におけるその周期Δの設計指針は大凡使用波長（λo）と同程度となるようにすれば良い。但し、使用波長おける導波路の等価屈折率（ｎe）を考慮して計算しなければならない。従ってΔ≒λo／ｎeである。この周期Δを満たした場合、導波路を導波する光が周期Δの定在波を形成する。但し、この指針は１次元における２次の回折を使う分布帰還形型共振器の設計と同じであり、２次元に起こる導波及び回折現象全てを厳密に取り扱ってはいない。従って厳密に計算する際には、２次元平面に展開される全ての光波の干渉を記述出来る方法で行う。例えば平面波展開法による波数空間でのフォトニックバンド構造計算や、FDTD法（Finite Difference Time Domain Method）による電磁界解析等で精度良く計算できる。
【００１６】
また、上記の電極は、電流を供給するために導電率の高い物質で形成することが望ましいが、光の周波数領域での誘電損失の比較的小さい物質の導電率は一般に低いので、上記の電極を２層の導電層を含む構造とし、上記の導波路から比較的近い部分に導電率の比較的小さい物質を用い、比較的遠い部分に導電率の比較的大きい物質を用いた多層構造の電極で構成する。
【００１７】
また、上記の電極の材料としては金属を用いる。
【００１８】
また、上記の活性層領域は、レーザ発振や光増幅を行なうために、誘導放出による電子遷移を主とする領域であるとする。
【００１９】
あるいは、上記の活性層領域は、発光ダイオードをなすために、自然放出による電子遷移を主とする領域であるとする。
【００２０】
また、本発明は、光増幅器を構成するために、外部からの光を上記の導波路に入力する入射導波路をさらに備え、入力した光を上記の活性層領域で増幅して出力するものとする。
【００２１】
また、本発明は、上記の入射導波路からの光を、上記の電極を通して上記の導波路に入力する構成を備えるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００２３】
図１に、本発明の半導体光デバイスの模式図を示す。これは、ＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体レーザを指向するものである。この半導体光デバイスは、Ｎ型半導体基板１上に、活性層領域２と、活性層領域２に電流を供給する電極４と、を備えている。活性層領域２は、クラッド層であるＰ型領域２a、Ｎ型領域２ｂと、導波路領域３を備えている。Ｎ型領域２ｂはＮ型基板に電気的に接続されており、また、Ｐ型領域２aは電極４に電気的に接続されている。また、電極４には配線パッド５が接続されており、配線パッド５とＮ型基板１間に順方向の電圧を印加する。ここで、電極４は、表面に広がる２次元のフォトニック結晶を構成しており、その周期は、上記の様に、出力しようとする光の波長の同程度となるようにすれば良い。但し、使用波長おける導波路の等価屈折率（ｎe）を考慮して計算しなければならない。従ってΔ≒λo／ｎeである。この周期Δを満たした場合、導波路を導波する光が周期Δの定在波を形成する。
【００２４】
半導体のＰＮ極性、及び電源６の電圧印加方向を入れ換えることで、同様な機能を持たせることが可能であることは明らかである。また、Ｎ型領域２ｂの機能をＮ型半導体基板１で済ますことが可能である場合は、これを設けなくてもよい。
【００２５】
導波路領域３は、図２（a）に示すように、ＰＮ接合でもよいし、図２（ｂ）に示すように量子井戸を用いて構成してもよい。さらに、図２（ｃ）の様に、量子ドットを用いたものや、図２（ｄ）のように多重量子井戸を用いて構成してもよい。要は、発光作用あるいは光増幅作用をもった構成を有することである。
【００２６】
活性層領域２の端面は空気と接しており、誘電率の違いから光を反射する機能を備えているが、さらに完全な反射を求める場合には、端面に光を反射する手段を設けてもよい。光の反射には、金属膜や多層誘電体膜が有効であることが知られている。
【００２７】
電極４は、例えば、図３(ａ)〜（ｄ）に示す様にリフトオフプロセスによって形成することができる。リフトオフプロセスの特徴は、プロセスダメージが少ないことである。
（ａ）まず、Ｐ型領域２aにレジストパターン１０を形成する。
（ｂ）Ｔｉ（チタン）層１１と金層１２をリフトオフプロセスが可能な厚さに形成する。
（ｃ）レジスト層を除去して電極パターンを残す。
（ｄ）必要に応じて保護膜１３を形成する。
ここで、Ｔｉ層１１は密着層として働く。また金層１２は、電流供給層として働く。必要に応じてさらにこの上に、あるいは金層に代わって、銀層やアルミニウム層を形成してもよい。
【００２８】
上記の様に形成した電極により、導波路の有効屈折率が僅かに変わる。本発明の肝要な点は、この有効屈折率が変化することで、導波路にフォトニック結晶としての効果が及ぶことである。平面波展開法を用いたシミュレーションによれは、金属の有り無しで、計算される導波路の有効屈折率差が0.1%以上あれば、フォトニックバンド構造に有意なバンド開きを確認することができる。このため、導波路計算時に有効屈折率差を少なくとも0.1%以上取れる設計をすればよいことが分かる。
【実施例２】
【００２９】
図３の半導体光デバイスは、光増幅素子を指向するもので、入射導波路である光ファイバ９からの光を活性層領域２に低損失で導入するための整合領域８を備えている。図３に示す整合領域８は、電極４と同時に形成するグレーティングで、この整合領域に電流を供給するための配線７を備えている。光ファイバ９からの光を活性層領域２に低損失で導入するには、導波路領域３に捕捉されるように、表面に対して斜めに入射する。ここで、整合領域８は、光の入射効率を改善するためのものであり、入射時の損失が無視できるときにはこれを用いる必要はない。この場合でも、入射は臨界角以内で行えばよいので、従来の縦型共振器の面発光レーザに比べて、緩い制限で入射を行なうことができる。また、活性層領域２の端面から光を入射しても光増幅を行なうことが出来ることは明らかである。
【実施例３】
【００３０】
本発明は、図１に示す電流励起のほかに光励起によっても動作させることが可能である。以下に、スラブ型(1次元型)導波モードを持つ半導体ヘテロ接合を結晶成長により作製した導波路領域の場合について説明する。
【００３１】
６の周期のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｓｂ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｓｂ（厚さ＝４．５ｎｍ／２０ｎｍ）のマルチ量子井戸（ＭＱＷｓ）を活性層用の物質として使用した。ＭＱＷｓは厚いＡｌＳｂ下側のクラッド層の上に成長し、次に、１００ｎｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｓｂ上部クラッド層を上記のＭＱＷ層の上に分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）によって成長した。ＭＱＷのある位置では、スラブ導波路構造を持っており、そして、光学モードがわずかなに表面に浸み出している。ＭＢＥ成長の後に、電子ビームリソグラフィー（ＥＢＬ）で１００μｍ×１００μｍの２Ｄ金属ＰｈＣｓパターンを作製した。そのＥＢＬパターン上にＴｉ／Ａｕ（厚さ＝５０Å／５００Å）のデポジションし、リフトオフプロセスによって２Ｄ金属ＰｈＣｓを製作した。製作した２Ｄ金属ＰｈＣｓの走査電子顕微鏡検査写真を図５（ａ）に示す。
【００３２】
このようにして作られた２Ｄ金属ＰｈＣｓの平均格子定数（Ｌｃ）を表１に示す。
【表１】
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【００３３】
２Ｄ金属ＰｈＣｓのサイズは、２Ｄ金属ＰｈＣｓの２次のガンマ端の周波数をＭＱＷｓからの光ルミネセンス（ＰＬ）スペクトルの周波数に合わせて決定した。ＰＬ測定値が０．５の開口数がある対物鏡によって５３２ｎｍの連続波レーザを集光した状態で、２Ｄ金属ＰｈＣｓの光学的性質を調査した。ＰＬは室温で測定した。
【００３４】
このＰｈＣｓは格子定数の０．３倍のサイズの正方格子から成る。ここで、ＴＥモードのフォトニックバンド構造は、Ｔｉ／Ａｕの有り無しについて、スラブ導波路の実効屈折率ｎが変化するので、これを基に計算した。つまり、表面上に金属があるときは、ｎは、金属がない場合よりわずかに小さい。ＰｈＣｓを実現するにあたって、前記大小２つの屈折率が、屈折率コントラストとなる。また、ＴＥモードのフォトニックバンドダイヤグラムを図５（ｃ）に示す。これは、計算によるもので、この計算は平面波展開法を用いて行った。
【００３５】
ＰＬの測定結果を図６に示す。図６は２Ｄ金属ＰｈＣｓについて、パターンの有／無に従った（図２では、Ｗ／Ｏ  ＰｈＣで示す）１０ｍＷ励振でのＰＬ結果を示す。およそ０．２８−０．２８２（図６の挿入）で２Ｄ金属ＰｈＣｓの周期を変えたときに、２Ｄ金属ＰｈＣｓからのＰＬピーク位置は基準周波数（Ｌｃ／Ｌａ）（但し、Ｌｃは２Ｄ金属ＰｈＣｓの平均格子定数、Ｌａは自由空間での光の波長）に対して変化した。これらは０．２８７（Ｌｃ／Ｌａ）のフォトニックバンド構造の計算した２次のガンマ端よりわずかに低い値である。しかし、食い違いは数パーセント以内である。これは、上記の計算方法が妥当であることを意味しており、金属の周期的な構造を用いたフォトニック結晶が有効であることを示している。また、２Ｄ金属ＰｈＣｓは、実際の励振パワーをおよそ半分減少させている。これは、２Ｄ金属ＰｈＣｓが単位パターンあたり５１％を占めているためである。しかし、２Ｄ金属ＰｈＣｓの有りの場合は、無しの場合よりＰＬピーク強度は強い。これらの現象は、ブラッグ回折が外部の量子効率を増加させたことを示している。
【００３６】
増加率はサンプルｅの場合およそ４である。（ＰＬ強度比×実際の励振パワー比）。また、２次ガンマバンド端からの光増幅を観測した。これは、バンド端において光は遅い群速度をもち、これから期待できる光増幅でレーザ動作が可能になる。このため、サンプルｅについて、光増幅を明らかにするべく、励起強度に依存するＰＬを測定した。結果を図７に示す。入力パワーが１６から１７ｍＷのときに図７の出力特性の傾きに飛びがあり、増幅作用の現れる閾値を得ることができる。これから、２Ｄ金属ＰｈＣで２次のガンマバンド端の遅い群速度に従ったＰＬ強度増幅を観測することができた。他方では、すべてのサンプルの広いＰＬスペクトルを得た。これらの広いＰＬスペクトルは、図５（ａ）に示す様に、おそらく２Ｄ金属ＰｈＣの構造での変動に関連している。２Ｄ金属ＰｈＣの周期の変動は８パーセント程度である。この周期の変動は、ほぼＰＬの半値全幅（ＦＷＨＭ）に一致するフォトニックバンド構造に影響した。別の可能性は金属の効果である。金属として扱われた２Ｄ金属ＰｈＣは、光学空洞として動作したが、金属は光の損失を引き起こした。光学空洞では、ＦＷＨＭは品質（Ｑ）要素を反映する。そのＱ要素は、空洞で散逸するパワーの空洞に蓄えられた場のエネルギーの比率によって定義される。従って、２Ｄ金属ＰｈＣは、光学的損失となる材料を含まない従来のものより低いＱ要素を示す。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
金属領域との光学モード（ＴＥ）オーバラップは０．０７％であるにすぎないが、金属による光の損失は低い。実際には、金属による光の損失を無視することができる。従って、正確な２Ｄ金属ＰｈＣを作ると、ＦＷＨＭを狭くできるので、レーザ動作を可能にする。
【００３８】
また、ＭＱＷｓの位置が金属に近くできる場合は、光学モードオーバラップは増加し、そして、金属導波路の実効屈折率ｎは減少する。この効果（オーバラップ）は金属で光の損失を増加させるが、後の効果（実効屈折率ｎの減少）は、金属のあるなしに係わらずスラブ導波路間のより大きいｎコントラストが生じ、より良い光学空洞を形成し、フォトニックバンドギャップを増加させる。従って、前記のレーザ動作のためには、それらのバランスを最適化することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の半導体光デバイスを示す模式図である。
【図２】活性層領域の構成を示す模式図である。
【図３】フォトニック結晶である電極の形成プロセスを示す模式図である。
【図４】光増幅を行なう半導体光デバイスを示す模式図である。
【図５】（ａ）は、製作した２Ｄ金属ＰｈＣｓの走査電子顕微鏡検査写真、（ｂ）は、インデクスを、（ｃ）は、バンド図を示す。
【図６】光ルミネセンス（ＰＬ）の測定結果を示す図である。
【図７】光ルミネセンスでの増幅作用を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  Ｎ型半導体基板
２  活性層領域
２ａ  Ｐ型領域
２ｂ  Ｎ型領域
３  導波路領域
４  電極
５  配線パッド
６  電源
７  配線
８  整合領域
９  光ファイバ
１０  レジストパターン
１１  Ｔｉ（チタン）層
１２  金層
【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６】
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【図７】
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【図５】
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