(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、前記活性層の近傍に形成されたフォトニック結晶とを備えた半導体面発光素子であって、
前記フォトニック結晶は、屈折率体を２次元に等間隔に並べて構成される第１の領域と、前記屈折率体の間隔とは異なる間隔で屈折率体を２次元に等間隔に並べて構成される第２の領域とを有し、
前記第１の領域における屈折率体の間隔は、前記活性層から発した光の波長の１／２を前記半導体面発光素子の実効屈折率で割った値であり、且つ、前記第２の領域における屈折率体の間隔は、前記光の波長の１／２を前記実効屈折率で割った値の２倍であり、
前記活性層は、前記第２の領域と対応する開口部を有していることを特徴とする半導体面発光素子。
【請求項２】
前記活性層または前記フォトニック結晶の端面に反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体面発光素子。
【請求項３】
前記活性層の上方に形成され、開口部が前記活性層の開口部と対応する環状の電極をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体面発光素子。
【請求項４】
前記屈折率体の周囲は、空気で満たされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体面発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光情報処理などに用いられる半導体面発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信、光記録読み出し素子などに用いられる半導体発光素子の需要は高まり、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、さらには窒化物混晶を主材料とするものの研究開発が進められている。
【０００３】
半導体発光素子の中でも指向性、単色性に優れる半導体レーザは、光通信や、光ディスク装置などの新しい応用分野に用いられてきている。
【０００４】
光通信の分野においては、通信に用いられる光ファイバーに波長分散が存在するため半導体レーザの単色性が、重要視されている。また半導体レーザにはコヒーレンスという優れた特長がありこの性質が多くの産業分野で用いられている。
【０００５】
中でも、半導体面発光素子は、光ファイバへ光を導入する際、直接結合が容易であり、またチップ検査の際ウエハ検査が可能な点から、低コスト光発光素子として期待されている。
【０００６】
従来の半導体面発光素子は、ＤＢＲミラー等の層厚を精密に制御した積層構造を必要とすることから作製が困難でありコスト上昇の原因となる。
【０００７】
そこで、面内に一様な周期で、一定の屈折率を有する円柱状物を三角格子状に配置したフォトニック結晶を用いて、活性層からの発光の一部をフォトニック結晶の主面に平行な面内に回折させ、発光の一部を垂直に回折させて取り出しを行う二次の周期のフォトニック結晶を備えた半導体面発光素子が知られている。
【０００８】
次に、従来の半導体面発光素子について説明する。
【０００９】
図４は、従来の半導体面発光素子の断面を示すものである。図４において、ＩｎＰからなる基板４０１上に、光を回折するためのＩｎＰからなるフォトニック結晶４０２、ｎ型ＩｎＰクラッド層４０３、１．３μｍ近傍の光発光層であるＩｎＧａＡｓＰ系材料の多重量子井戸からなる活性層４０４、ｐ型クラッド層４０５が順次形成されている。ここで、フォトニック結晶４０２は、円柱状の微小なＩｎＰからなる屈折率体を二次元に等間隔に配置して構成されるものであり、隣り合う屈折率体同士の距離は、活性層４０４から発する光の半波長の２倍、つまり、屈折率体は二次の周期で配置されている。但し、波長とは、半導体面発光素子内における波長であり、真空中での光の波長１．３μｍを半導体面発光素子の実効屈折率２．８で除した値である。半導体面発光素子の下端面、上端面には、それぞれ電極４０６、電極４０７が形成されている。なお、電極４０７は、円盤状の電極である。これらの電極４０６、電極４０７から活性層４０４に電流を流すことにより、活性層４０４を発光させる。
【００１０】
活性層４０４で発光した光は、フォトニック結晶４０２において一部が垂直に回折され、電極４０７の周囲から、活性層４０４に主面に対して垂直な方向に放射している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体面発光素子において、二次の周期のフォトニック結晶４０２による光の回折を利用しているために、フォトニック結晶４０２の主面に平行な面内への光の回折が少なく、光の閉じ込め効果が小さいために、動作電流のしきい値が高く、十分な性能が得られないという問題があった。
【００１２】
また、フォトニック結晶４０２を用いた半導体面発光素子において電流を狭窄していないために活性層４０４に効率よく電流を注入することができないという課題があった。
【００１３】
本発明は、しきい値が低く、効率のよい半導体面発光素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体面発光素子は、活性層と、前記活性層の近傍に形成されたフォトニック結晶とを有し、前記フォトニック結晶は、屈折率体を２次元に等間隔に並べて構成される第１の領域と、前記屈折率体の間隔とは異なる間隔で屈折率体を２次元に等間隔に並べて構成される第２の領域とを有するものである。
【００１５】
本発明により、フォトニック結晶の主面に平行な面内への光の回折量を調整し、光の閉じ込め効果を調整することができる。
【００１６】
例えば、フォトニック結晶として、２次元平面状に三角格子状に一定の屈折率を有する円柱状の屈折率体が周期的に配列された構造を採用すれば、六方対称に光が回折し合う構成となり、回折された光がフォトニック結晶で構成された面内で周回することにより半導体面発光素子内に光の閉じ込めを実現し、屈折率体の周期の小さい領域で、フォトニック結晶の主面に平行な方向への光の閉じ込めを強くし、屈折率体の周期の大きい領域で、フォトニック結晶の主面に垂直な方向への光の取り出しを図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態における半導体面発光素子の断面を示すものである。図１において、ｎ型ＩｎＰで構成された基板１上に、厚さ２００ｎｍのフォトニック結晶２、厚さ１５０ｎｍのｎ型ＩｎＰで構成された下部クラッド層３、組成波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰで構成されたリング状の多重量子井戸活性層４、厚さ４００ｎｍのｐ型ＩｎＰで構成されたリング状の上部クラッド層５、リング状のｐ型電極６が順次形成されている。また、基板１の裏面には、ｎ型電極７が形成されている。ここで、フォトニック結晶２は、リング状の第１の領域２ａと、第１の領域２ａに囲まれた第２の領域２ｂで構成されている。
【００１９】
このフォトニック結晶２について詳細に説明する。
【００２０】
図２は、基板１の一部と、その上に形成されたフォトニック結晶２の一部を表す要部斜視図である。基板１上には、直径０．０８μｍ、高さ０．２μｍの円柱状のＩｎＰからなる屈折率体２ｃが三角格子状に配置されており、屈折率体２ｃの集合がフォトニック結晶２を構成している。屈折率体２ｃ同士の間隔は、第１の領域２ａにあっては、活性層４から発する光の波長（１．３３μｍ）の１／２を半導体面発光素子の実効屈折率２．８で割った値（＝０．２３μｍ：一次の周期）であり、第２の領域２ｂにあってはその２倍（＝０．４６μｍ：二次の周期）である。
【００２１】
屈折率体２ｃの周りの媒質は空気である。屈折率体２ｃを構成するＩｎＰと、その周囲の空気との間の屈折率差は２以上に大きく設定されているため、光の回折がより効率良く行われる。
【００２２】
図３は、フォトニック結晶２の平面図を示すものである。先述の通り、第１の領域２ａはリング状であり、その外径は５０μｍ、内径は１０μｍである。また、第２の領域２ｂの外形は、１０μｍである。
【００２３】
次に、本実施の形態における半導体面発光素子の動作について説明する。
【００２４】
ｐ型電極６およびｎ型電極７に電圧を印加することにより、活性層４に電流を流す。これにより活性層４で光が発生し、その光は、フォトニック結晶２の第１の領域２ａ内でフォトニック結晶２の主面に平行な面内で、６０度の整数倍に相当する方向毎に回折しながら増幅される。そして、その光はフォトニック結晶２の第２の領域２ｂにおいて、フォトニック結晶２の主面に垂直な方向にも多く回折され、リング状のｐ型電極６等の開口部８から射出される。このような開口部８により、光が減衰することなく出射するため、高効率化が実現できる。
【００２５】
本実施の形態における半導体面発光素子では、フォトニック結晶２の第１の領域２ａにおける屈折率体２ｃが、第２の領域２ｂにおける屈折率体２ｃよりも小さな間隔で設けられているため、フォトニック結晶２の主面に平行な面内への光の回折が大きく、光の閉じ込め効果が大きいために、動作電流のしきい値を低減することができる。
【００２６】
さらに、図１に示すように、活性層４またはフォトニック結晶２の端面に反射膜９を形成することにより、フォトニック結晶２の第１の領域２ａから外部へ漏れ出す光を低減して光の閉じ込め効果がさらに大きくなる。
【００２７】
さらに、図１に示すように、ｐ型電極６を環状に形成することにより、開口部８から効率的に光を取り出すことができる。
【００２８】
また、図１に示すように、活性層４に開口部８が形成されているために、活性層４の面積は小さく、したがってよりしきい値の小さい半導体面発光素子を提供することができる。
【００２９】
また、フォトニック結晶２の屈折率体２ｃの周期に相当する単一波長での発振が得られることから、半導体面発光素子の単色性が向上する。
【００３０】
また、基板１の垂直方向に光を出射することから、ウエハ検査が可能な構造でありコスト面において優れた構造である。
【００３１】
なお、本実施の形態は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いているが、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓ等、他の材料を用いても同様の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体面発光素子は、フォトニック結晶の強い回折効果を利用し、第１の領域における面内回折と第２の領域における垂直方向回折を利用することにより、低しきい値、高効率な半導体発光素子を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における半導体面発光素子の断面図
【図２】同半導体面発光素子のフォトニック結晶の要部斜視図
【図３】同半導体面発光素子のフォトニック結晶の平面図
【図４】従来の半導体面発光素子の断面図
【符号の説明】
１  基板
２  フォトニック結晶
３  下部クラッド層
４  活性層
５  上部クラッド層
６  ｐ型電極
７  ｎ型電極
８  開口部
９  反射膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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