(57)【要約】【課題】ミラーの反射特性がずれても反射率が下がらない反射帯域の広いミラーを備えた垂直共振器型面発光レーザを提供する。【解決手段】基板上に１対の反射ミラーで構成される共振器と、該共振器中に介在する活性領域とを備えている垂直共振器型面発光レーザにおいて、  前記共振器を構成する少なくとも一方の反射ミラーは、第１の媒質と第２の媒質とが、該基板の面内方向に屈折率が周期的に変化するように配列した屈折率周期構造からなり、  且つ、前記第１の媒質の前記面内方向の断面積の大きさは、前記第１の媒質の厚さ方向で変化している構成とする。【選択図】            図８
2007234835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に１対の反射ミラーで構成される共振器と、該共振器中に介在する活性領域とを備えている垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記共振器を構成する少なくとも一方の反射ミラーは、第１の媒質と第２の媒質とが、該基板の面内方向に屈折率が周期的に変化するように配列した屈折率周期構造からなり、
且つ、前記第１の媒質の前記面内方向の断面積の大きさは、前記第１の媒質の厚さ方向で変化していることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項２】
前記第１の媒質の前記断面積の大きさが、前記第１の媒質の厚さ方向に連続的または準連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項３】
前記屈折率周期構造を構成する媒質の一つが空孔であることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項４】
前記空孔を備えた屈折率周期構造を積層し、該積層によって形成された各層による空孔の孔径が、前記反射ミラーの面に対する垂直な方向に連続的または準連続的に変化していることを特徴とする請求項３に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記屈折率周期構造を構成する媒質の一つが組成の異なる膜からなる積層膜であり、該積層膜の各層による屈折率が前記反射ミラーの面に対する垂直な方向に連続的または準連続的に変化していることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザの一つとして、活性領域の両側を２つの反射鏡で挟み、基板面に垂直な方向に光共振器を形成し、基板面から垂直方向に光を放射する垂直共振器型面発光レーザが知られている。
この垂直共振器型面発光レーザは、つぎのような多くの利点を有することから１９８０年代後半から盛んに研究されてきている。
すなわち、この面発光レーザは低閾値、低消費電力であり、またスポット形状が円形で光学素子とのカップリングが容易であり、アレイ化が可能である、等の多くの利点を有している。
しかしながら、一方ではこの面発光レーザは、利得領域が少ないため、共振器を構成する１対の分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、これをＤＢＲミラーと記述する。）に、９９％以上の高反射率が必要となる。
これを実現するためには、半導体ミラーの場合、数十層の積層膜が必要となる。この積層膜の層厚のために、共振器中に熱がこもりやすくなり、また閾値が大きくなり、あるいは電気抵抗が増加し、電流注入が困難になる、等の問題点を有している。
【０００３】
従来において、このようなＤＢＲミラーに代わり得る共振器ミラーについて、いくつかの提案がなされている。
例えば、非特許文献１では２次元スラブフォトニック結晶をミラーとして用いた場合における反射光・透過光の波長依存性等について報告されている。
フォトニック結晶とは、材料に人工的に光の波長程度の屈折率変調を設けた構造、即ち互いに屈折率の異なる媒質同士が周期性をもって配列された構造のことであり、光の多重散乱効果により、結晶中の光の伝搬を制御することができるとされている。
非特許文献１によれば、高屈折率を持つスラブ材料に空孔を周期的に設けることで構成された２次元スラブフォトニック結晶において、ほぼ１００％の効率で反射されることが報告されている。
すなわち、いわゆるエアホールタイプの２次元スラブフォトニック結晶の平面に、それと略垂直な方向から光を入射させると、所定の周波数の光は、ほぼ１００％の効率で反射されることが報告されている。
【０００４】
垂直共振器型面発光レーザの反射ミラーとして、フォトニック結晶ミラーを用いることにより、従来、数μｍ程度の厚い多層膜で構成していたミラーを、数十から数百ｎｍオーダーの非常に薄い膜で構成できる。
これにより、反射ミラーの層厚による排熱困難、電気抵抗などの問題を低減することができる。
【非特許文献１】Ｖ．Ｌｏｕｓｓｅ他：Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１５、ｐ．３４３６（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、フォトニックミラーの反射帯域は、作製誤差などにより数十ｎｍ程度のオーダーで容易にずれてしまう場合がある。その場合、発振波長が、ミラーの高反射率帯域の外にずれてしまい、垂直共振器型面発光レーザミラーとして機能しない可能性がでてくる。これを回避するには、ミラーの反射特性がずれても反射率が下がらないよう、反射帯域の広いミラーを作製する必要がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、ミラーの反射特性がずれても反射率が下がらない反射帯域の広いミラーを備えた垂直共振器型面発光レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した垂直共振器型面発光レーザを提供するものである。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に１対の反射ミラーで構成される共振器と、該共振器中に介在する活性領域とを備えている垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記共振器を構成する少なくとも一方の反射ミラーは、第１の媒質と第２の媒質とが、該基板の面内方向に屈折率が周期的に変化するように配列した屈折率周期構造からなり、
且つ、前記第１の媒質の前記面内方向の断面積の大きさは、前記第１の媒質の厚さ方向で変化していることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記第１の媒質の前記断面積の大きさが、前記第１の媒質の厚さ方向に連続的または準連続的に変化していることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記屈折率周期構造を構成する媒質の一つが空孔であることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記空孔を備えた屈折率周期構造を積層し、該積層によって形成された各層による空孔の孔径が、前記反射ミラーの面に対する垂直な方向に連続的または準連続的に変化していることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記屈折率周期構造を構成する媒質の一つが組成の異なる膜からなる積層膜であり、
該積層膜の各層による屈折率が前記反射ミラーの面に対する垂直な方向に連続的または準連続的に変化していることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ミラーの反射特性がずれても反射率が下がらない反射帯域の広いミラーを備えた垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施の形態における屈折率の周期構造としては、近年盛んに研究されているフォトニック結晶を用いることができる。
ここで、本発明の実施の形態について説明する前に、まずフォトニック結晶について説明する。
フォトニック結晶とは、屈折率周期が設けられている方向の観点により、１次元から３次元まで分けることができる。
その中で、屈折率の周期が、空間座標中の２つの軸で形成される面内方向に設けられている構造体、あるいは互いに直行する二方向のみに設けられている構造体が２次元フォトニック結晶である。
残りの一方向には周期的な屈折率の変化はない。一般的には、２次元フォトニック結晶、即ち構造体の面内方向における屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶が、その作製が比較的容易なことから、これまでで最もよく研究されてきている。
【００１０】
２次元フォトニック結晶の一形態として、薄い平板上の材料に対して、面内方向に周期性を持つように屈折率周期構造を設けたものがあり、特に２次元スラブフォトニック結晶と呼ばれている。
例えば、図１に示すように、Ｓｉなど高屈折率の半導体の薄い平板１０１に、使用する光の波長程度の周期で微小な穴１０２を開けることで、屈折率を面内方向に変調させることができる。
フォトニック結晶を用いることにより、その屈折率周期が設けられている方向に対して、結晶中の伝搬光を制御することができる。
従って、２次元フォトニック結晶に対しては、主に屈折率の周期構造が設けられている面内方向の光にフォトニック結晶が作用する。具体的には、光を微小領域に閉じ込める、光の群速度を小さくする、光の伝搬方向を変化させるなどの制御が可能である。
【００１１】
フォトニック結晶の特性のうち重要なものに、結晶内部にある周波数帯内の光が存在できないという性質（この周波数帯をフォトニックバンドギャップと呼ぶ）がある。
このような、フォトニック結晶に周期の乱れた部分（欠陥部）を導入すると、欠陥部ではフォトニックバンドギャップの性質が失われ、光が存在できるようになる。
結果として、欠陥を一部に設け、その周りをフォトニック結晶でとり囲むことで、光を、微小領域に閉じ込めることができる。
【００１２】
また、２次元フォトニック結晶は、面に垂直方向の波数成分をもつ光に対しても、特異な性質を示すことが知られている。
非特許文献１に記載されている、フォトニック結晶による入射光１００％反射の性質がその一例である。
本発明においては、フォトニック結晶のこれらの性質が主に用いられる。
【００１３】
つぎに、前記垂直共振器の反射ミラーにおいて、屈折率周期構造の屈折率分布が、これらミラー面に垂直な方向に対して連続的または準連続的に変化している構成について説明する。
本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザは、第１の反射ミラー層と第２の反射ミラー層との間に活性層を有し、該第１及び第２の反射ミラー層の少なくとも一方は、その面に垂直方向に屈折率分布が周期的に変化する屈折率周期構造を有している。
ここでは、その屈折率分布が、さらに面に垂直な方向に対して連続的または準連続的に変化している構成について説明する。
上で述べたような構成をとることにより、広帯域高反射率特性のミラーを有し、なおかつデバイスとしての機械的安定性に優れた垂直共振器型面発光レーザを実現することが可能となる。ここではその原理について、ミラーに２次元スラブフォトニック結晶を用いた例を挙げ、特に重要となるフォトニック結晶ミラーの性質に重点を置き説明する。
まず、図２を用いてフォトニック結晶ミラーの概略を説明する。
２次元フォトニック結晶２０１に、平面と略垂直方向から光を入射させると（図中２０２は入射光、２０３は透過光、２０４は反射光である）、その透過スペクトルは複雑な形状になる。
例えば、非特許文献１によれば、波長１１００ｎｍ、１２２０〜１２５０ｎｍ、１３５０ｎｍ付近といった３つの領域において、反射率が１００％となることが理論的に示されており、また、赤外域における実験による透過スペクトルも示されている。
上記反射の性質を利用して、フォトニック結晶をミラーとして用いることができる。上述したように、垂直共振器型面発光レーザのＤＢＲミラーをこのフォトニック結晶ミラーで置き換えることで、垂直共振器型面発光レーザのもつ問題点のいくつかを解決できる。
このような現象は、２次元フォトニック結晶に略垂直方向から入射した光２０２が、一旦フォトニック結晶の面内方向の伝搬光に変換され、面内方向において共振を起こし、再び入射光側の垂直方向に出射されるという現象に基づくものである。
【００１４】
これを、２次元フォトニック結晶内を伝搬する光のエネルギーと運動量との分散関係（「フォトニックバンド」と称される。）を用いて説明する。
図３は、２次元フォトニック結晶のフォトニックバンドを示した模式図である。図３における横軸は波数ベクトル、縦軸は光の規格化周波数（ωａ／２πｃ：ωは光の角周波数、ａはフォトニック結晶の格子定数、ｃは真空における光速）である。
前述した面内方向における共振は、フォトニックバンド構造における光すい３０１よりもエネルギーの高いモードの光に対してのみ起こる。
具体的には、２次元スラブにおける導波光が、スラブ界面で全反射を起こす境界線（図３に示される光すい３０１のライン）よりも、上側領域の分散関係で表される光に対してのみ起こる。
すなわち、それらのモードに結合する入射光のみが、フォトニック結晶ミラーにより１００％の反射率を示すことになる。
なお、反射する光の周波数は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法による数値シミュレーションにより、結晶構造の設計で制御できることが分かっている。
【００１５】
次に、屈折率が連続的に変化するフォトニック結晶の構成例について説明する。
図４に、薄い半導体平板４０１に空孔４０２における孔径が連続的に変化している２次元スラブフォトニック結晶の構成例を示す。
図４では、図の上方から下方に向かって孔径が漸減している。
２次元スラブフォトニック結晶においては、スラブの厚さがそれぞれ等しいとき、孔径が小さい方が光路長換算の実効的な結晶周期は大きくなる。
フォトニック結晶におけるフォトニックバンドは結晶周期が大きい程、全体的に長波長側へシフトする。
このため、上述したような、フォトニック結晶ミラーの反射帯域も、それに従いすべて長波長側へとシフトする。
【００１６】
例えば、図４のように孔径が連続的に変化しているフォトニック結晶を、図５のように、半導体平板５０１に異なる孔径をもつ空孔５０２により構成された薄いフォトニック結晶の積み重ねで近似するようにした構成を考える。
このような場合においては、図７に示すＴＭ偏光のフォトニックバンド図のようになる。
すなわち、孔径が大きいものから小さくなるに従い、フォトニックバンドは長波長側へずれていく。
この構成例では孔径が４パターンについてのみのフォトニックバンドを示したが、孔径が連続的または準連続的に変化する構成を採る場合には、バンドも連続的または準連続に変化する。
そのため、フォトニックバンドはそれぞれのフォトニック結晶のバンドを平均化したフォトニックバンドが得られ、入射光と結合する面内モードがある周波数帯に渡って連続的に分布することになる。
【００１７】
つぎに、本実施の形態における２次元フォトニック結晶ミラーの反射特性について説明する。
図８に、本実施の形態における２次元フォトニック結晶ミラーの反射特性を説明する図を示す。
図８（ａ）は２次元フォトニック結晶ミラーにおける単一のバンドに対して得られる反射特性の様子を表した模式図、図８（ｂ）は２次元フォトニック結晶ミラーにおけるバンド４本に対して得られる反射特性を表した模式図である。
図８（ａ）に示すとおり、１つのバンドのみから得られる反射帯域は狭いが、図８（ｂ）のようにそれを複数重ねあわせると帯域を広くすることができる。
本実施の形態においては、バンドが連続的または準連続的に変化する構成が採られるので、得られる反射特性は、図８（ｂ）に示した、４本のバンドによる反射特性のピークを結んだ、太線のような特性が得られる。
これにより、フォトニック結晶ミラーによって１００％の反射率が得られる光の波長域も広がり、広帯域高反射率特性のミラーとして動作させることが可能となる。
また、本実施の形態による構成のようなフォトニック結晶ミラーの帯域は、空孔壁の傾斜角の大きさで決定される。
そのため、広反射帯域を得るためには、孔径を極端に大きくする必要はなく、空孔壁の傾きを大きくすればよい。従って、デバイスとしての機械的安定性にも優れている。
【００１８】
本実施の形態の構成を採ることにより、広帯域高反射率特性のミラーを有し、かつデバイスとしての機械的安定性に優れた垂直共振器型面発光レーザを実現することが可能となる。
すなわち、前記垂直共振器型面発光レーザ素子において、前記屈折率周期構造の屈折率分布が、ミラー面と垂直な方向に対して連続的に変化している構成を採ることにより、ミラーの広帯域高反射率特性とデバイスとしての機械的安定性とを満足させることができる。
本実施の形態においては、例示的にフォトニック結晶の孔径が、図において上から下へ漸減している場合について説明したが、本発明が効果を奏するためには必ずしもこのような形状とする必要はない。
孔径が連続的に変化してさえいればいかなるものでも可能である。
例えば、上から下へ漸減した後また広がる構造や、または直線的ではなく曲線的に変化する形状なども可能である。
しかし、プロセス上の難易度から、複雑な形状よりも、本実施の形態のようなシンプルな構造が好ましい。
【００１９】
つぎに、前記屈折率周期構造の、各媒質の空間的分布を、前記ミラー面に垂直方向に対して連続的に変化させた構成について説明する。
前述したように、フォトニック結晶ミラーの屈折率分布をミラー面に垂直方向に対して連続的または準連続的に変化させるため、ミラーを形成する媒質の空間的分布をミラー面に垂直方向に変化させるようにすることができる。
それらの方法として、ミラーの構成別に複数の方法が可能である。
上述した例における、フォトニック結晶の空孔径を連続的に変化させる構成もその一例である。他の構成については、実施例において説明する。
【００２０】
つぎに、垂直共振器の活性層に近い部分で、高屈折率媒質の割合が大きくなることについて説明する。
前述した本実施の形態で示したようなミラーをレーザ共振器に用いるとき、その高屈折率部が共振器内の活性層側（すなわち共振器内側）に位置する構成にするのが好ましい。
本実施の形態において挙げた例では、実効屈折率は孔径が小さい側の方が大きくなる。
この場合には、実効屈折率が大きい側を共振器の活性層に向け垂直共振器を形成した方が、一度面内モードに変換された入射光をより活性層側に取り出しやすくなるため、デバイス特性にはプラスに作用する。
【００２１】
つぎに、屈折率周期構造の周期を乱す部位が複数設けられている構成について説明する。
前述したように、フォトニック結晶における欠陥は、フォトニックバンドギャップ中の周波数の光を閉じ込めることができる。
欠陥に閉じ込まった光は、欠陥部の間の距離を所定の範囲内にすることで互いに結合するようになる。
従って、このような欠陥をミラーの全出射領域に渡り作製すると、たとえフォトニックバンドギャップ中の周波数を有する光であっても、ミラーに垂直に入射し面内導波モードに変換された光を、欠陥部を介して全出射領域を導波させることが可能となる。
この導波光は再び放射モードへ変換され反射光となるが、欠陥の入れ方を制御することで、単一モードスポットの拡大、出射光形状制御、偏光制御などの機能を持たせることができる。
【００２２】
欠陥の種類はフォトニック結晶の屈折率周期性を乱すものであればいかなるものでもよい。
図４の本実施の形態における２次元フォトニック結晶ミラーの例で述べると、空孔をある一部分だけ除くこと（即ち、空孔を作らない、あるいは形成されている空孔を埋める）ことにより欠陥とすることができる。
または、周りの穴とサイズの異なる穴をあけることにより欠陥とすることもできる。
また、一部だけ空孔の傾斜を設けない、または、一部だけ傾斜の方向を周りと逆にするなどの方法でも、欠陥を作製することができる。
さらに、欠陥として用いる部分に別の屈折率の異なる物質を導入することで欠陥とすることもできる。
【００２３】
また、欠陥は周期的、非周期的どちらでもよいが、欠陥の間隔は欠陥に閉じ込まった光が互いに結合する範囲であることが必要である。
それらの間隔は、フォトニック結晶の材料、構成、および導波する光の波長域によりそれぞれ異なる。
例えば、スラブに三角格子（周期ａ）を組むように空孔を設け、屈折率３．５程度、スラブ厚さ０．５ａ、穴系０．４ａの、フォトニック結晶の場合には、欠陥部間の間隔を例示すると、２周期以上８周期以内であることが好ましい。
ここでいう周期は、屈折率周期構造体の周期を意味している。
なお、ここでは、格子定数で規格化し、周期に関してのみの条件を例示している。
【００２４】
フォトニックバンドギャップをもつための条件について述べると、フォトニックバンドギャップの大きさは、フォトニック結晶の高屈折率の部分と低屈折率の部分との屈折率差により変化する。
屈折率差が大きい時フォトニックバンドギャップも大きくなり、小さい時小さくなる。屈折率差があまりに小さい場合、フォトニックバンドギャップは消滅してしまう。
フォトニックバンドギャップが存在できる屈折率差は、フォトニック結晶の形状、種類により様々である。
例えば図１のような２次元スラブフォトニック結晶の場合、母材のスラブに開ける穴の大きさ、格子形状などにより、フォトニックバンドギャップの大きさは変わってくる。
【００２５】
２次元フォトニック結晶の場合、一般的に四角格子よりも三角格子の方がフォトニックバンドギャップは大きくなる。
本実施の形態のように、孔径が面と垂直方向に連続的に変化しているフォトニック結晶においては、フォトニックバンドギャップの波長域は逆に小さくなる傾向がある。
従って、屈折率差が小さい複数の媒質をフォトニック結晶の材料に用いる場合、確実にフォトニックバンドギャップを得るためには、３角格子のパターンを用いる方が好ましい。
【００２６】
つぎに、複数の２次元的屈折率周期構造を張り合わせることでミラーとする構成について説明する。
本発明における共振器ミラーは、２次元的屈折率周期構造を設けたミラーを複数枚張り合わせても構成することができる。このようにすることで、ミラー面に垂直な方向に対する屈折率分布をより複雑な形状にすることができる。
例えば、本実施の形態において、図５のように、フォトニック結晶の孔径が連続的に変化し、テーパ−型になっている例を挙げた。
このようなミラーを２枚または３枚張り合わせると、組み合わせ方に応じて、面に垂直な方向に対して屈折率分布が様々に変化したミラーを作製することができる。
具体的には、ミラー２枚の場合では、孔径の大きい側同士を張り合わせる、逆に小さい側同士を張り合わせる、大きい側と小さい側同士を張り合わせるといった３通りの組み合わせが考えられる。
これらの組み合わせを、２枚以上張り合わせた場合も任意に用いていくことで、様々な分布形状の実現が可能である。その一例については実施例５にて説明する。
張り合わせ方法は、主に高温、高圧下での融着が考えられるが、熱ひずみや圧力による基板へのダメージを考えると、融着の際の温度、圧力ともできるだけ小さいことが好ましい。
【００２７】
つぎに、フォトニック結晶を有する構造体の構成材料について説明する。
２次元フォトニック結晶ミラーを、垂直共振器型面発光レーザの共振器ミラーとして用いる場合、つぎのような材料でが好ましい。
すなわち、金属、半導体、誘電体いずれも用いることができるが、レーザ発振波長の光を透過する半導体や誘電体などの材料であることが好ましい。
また、光励起により発振させる場合は、半導体、誘電体いずれも用いることができるが、電流注入により発振させる場合は導電性のある半導体であることが好ましい。
なお、２次元フォトニック結晶ミラーを通して電流注入する場合には、低屈折率の部位は高屈折率の部位で用いられている材料より屈折率の小さい半導体であることが好ましい。
さらに、２次元フォトニック結晶の面に垂直な方向の厚さであるが、結晶中を２次元面内方向に伝搬する光の横モードが単一となるように、所定の値よりも小さいことが好ましい。
この所定の値については、伝搬する光の波長やフォトニック結晶を構成する材料により様々に異なるが、それらは公知の計算方法により（例えば「光導波路の基礎」（岡本勝就  著、オプトロニクス社）第２章参照）導出することが可能である。
例えば、シリコンフォトニック結晶の場合には、波長１．５μｍの伝搬光に対して、フォトニック結晶の屈折率周期構造に垂直な方向の、フォトニック結晶外部の物質が空気の時、フォトニック結晶の厚さを２２０ｎｍ以下にすることにより、横モードが単一となる。
【００２８】
また、２次元フォトニック結晶の面に垂直な方向の、フォトニック結晶外部の媒質に関しては、空気またはあらゆる材料を用いることができる。
しかし、電流注入により発振させる場合においては、２次元フォトニック結晶中に光を有効に閉じ込め、なおかつミラー上の電極から活性層にキャリアを注入するため、つぎのような材料が好ましい。
すなわち、前記フォトニック結晶を構成する材料よりも低屈折率であり、かつ導電性のある半導体材料とすることが好ましい。
【実施例】
【００２９】
以下に、本発明の実施例について説明する。
以下の実施例は例示的なものであり、本発明において用いるレーザ素子の構造材料、大きさ、形状などの諸条件は、以下の実施例１〜５によって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
実施例１において、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図８に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。図８（ａ）は本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図であり、図８（ｂ）は共振器ミラーを面に垂直な方向から見た模式的平面図である。
図８において、８０１は基板、８０２は下部フォトニック結晶層光閉じ込め層、８０３は下部共振器ミラー層、８０４は下部共振器ミラーフォトニック結晶空孔、８０５は下部クラッド層、８０６は活性層、８０７は電流狭窄層である。
また、８０８は上部クラッド層、８０９は上部共振器ミラー層、８１０は上部共振器ミラーフォトニック結晶空孔、８１１はｎ電極、８１２はｐ電極である。
【００３０】
本実施例では、材料はＧａＮ系の材料を用いている。
基板は厚さ５２５μｍのＧａＮ基板、下部フォトニック結晶光閉じ込め層はｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎを用いており厚さ５４０ｎｍ、下部共振器ミラー層はｎ−ＧａＮを用いており厚さ２００ｎｍである。
また、下部クラッド層はｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎを用いており厚さ５４０ｎｍである。
活性層はノンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ／Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎの多重量子井戸構造により構成されている。
その井戸の層数は３層、それぞれの層の厚さは５ｎｍ／２．５ｎｍ、埋め込みヘテロ構造は、図中の下方よりｐ、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎを交互に２層ずつ重ねた構造を用いており、埋め込み層全体の厚さは５００ｎｍである。
上部クラッド層はｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎを用いており厚さ５４０ｎｍ、上部共振器ミラー層はｐ−ＧａＮを用いており厚さ２４０ｎｍである。
また、基板側ｎ電極はＴｉ／Ａｌを用い、基板裏面全体に蒸着してあり、ｐ電極はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いたリング状電極である。上下ミラー８０３、８０９の間隔（＝共振器長）は、約１．１μｍ（共振光約６．５波長分に相当）である。
【００３１】
前述した積層膜は以下のような工程で製造することができる。
まず、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ犠牲層、その上にＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎエッチングストップ層を成膜し、その上に、上部共振器ミラー層から下部共振器ミラー層までのレーザ共振器構造を順次成膜する。
後の工程でサファイア基板をリフトオフするため、この場合ＧａＮ犠牲層、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎエッチングストップ層の上の層は、実デバイスとは逆に上部共振器ミラー層から順に下部共振器ミラー層までを成膜する。
そして、下部クラッド層の中央部を円形に覆うようにレジストでマスクし、その周辺部をＣｌ2＋Ａｒガスを用いたエッチングで、活性層を掘りぬき上部クラッド層途中まで除去する。
今後この条件のＩＣＰエッチングを単にドライエッチングと呼ぶことにする。
そして、エッチングで除去した部位にｎ−ＧａＮ、ｐ−ＧａＮの順番で埋め込みヘテロ型電流狭窄層を再度成長させる。
ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などにより埋め込み層と下部クラッド層の面を平滑化した後、その上に再度下部クラッド層を成長させる。
【００３２】
次に、最表面にある下部共振器ミラー層に、フォトニック結晶パターンをＥＢリソグラフィーにより描画し、ドライエッチングでフォトニック結晶ミラーを形成する。
フォトニック結晶の空孔は空孔径が面に垂直方向に連続的に変化するよう、テーパー型に設けることが必要だが、ドライエッチングの条件を調整することで、上記テーパー型の空孔を作製することができる。
これは条件さえ決定できれば比較的容易であり、テーパーの角度を変えたいくつかのエッチング条件が判明していることが望ましい。
その後、別のｎ−ＧａＮ基板上に下部共振器ミラー光閉じ込め層を成膜したウエハを準備しておき、下部共振器ミラー層と下部共振器ミラー光閉じ込め層の面を接するように、サファイア基板のウエハと、ＧａＮ基板のウエハを高圧下の熱融着法により接合する。
【００３３】
次に、２枚のウエハが合わさった構造から、元々あるサファイア基板を、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを照射したレーザリフトオフ法により除去し、ＣＭＰ法などによりＧａＮ犠牲層表面を平担、平滑化する。
平担、平滑化した面に対して、Ｃｌ2＋Ｏ2ガスを用いたＩＣＰドライエッチングによりＧａＮ犠牲層までを除去し、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎエッチングストップ層をドライエッチングで除去する。
そして、下部共振器ミラー層を作製したのと同様な方法で上部共振器ミラー層のフォトニック結晶パターンを作製し、ＧａＮ基板裏面および上部共振器ミラー層上に、それぞれｎ、ｐ電極を真空蒸着法により形成する。
【００３４】
つぎに、共振器を形成するフォトニック結晶ミラーについて、図８（ｂ）を用いて説明する。
本実施例においては、上下フォトニック結晶ミラーは、層の厚さパラメータ以外全く等しくなっているため、ここでは図８（ａ）における上部のミラーのみを示すことにする。
フォトニック結晶構造は、ＧａＮ層に空孔８０４および８１０を周期的に設けることにより形成される。
このようなＧａＮ層への空孔形成は、例えば上述したように、ＥＢリソグラフィーにより形成したパターンを、ドライエッチングにより転写して行うことができる。
【００３５】
本実施例において使用しているミラーは、図８（ａ）に示しているように孔半径がミラーの面に垂直な方向に徐々に変化するテーパー型の空孔を有している。共振器ミラーの格子周期は２００ｎｍ、孔径は最大で１６０ｎｍ、最小で１３６ｎｍであり、その径は穴の深さに対して一定の割合で変化している。孔半径は変化するが、穴の中心の位置、すなわちフォトニック結晶構造の周期は常に一定である。
またテーパ−の方向については、本実施例の場合、孔径の小さい方が共振器の活性層を向くように配置されている。
これらの理由については、本発明の実施の形態において述べた通りである。
【００３６】
つぎに、上下２枚のミラーの位置関係について説明する。
図９に、本実施例の共振器を構成する２枚のミラーの相対的位置関係を示す。
図９において、９０１は上部共振器ミラー、９０２は下部共振器ミラーを表している。
上記図９においては、便宜上、下部のミラーを矢印で示す座標のように動かし、取りうる相対的位置関係を表現している。
図９に示すように、２枚のミラーの相対的位置関係にはｘ、ｙ、ｚの直行方向、およびそれらに対する回転方向のα、β、γ方向の合計６方向がある。
以下、それぞれについて順番に説明していく。
【００３７】
ｘ、ｙ方向については、２つのミラー間隔の大小により、位置関係に要求される条件は大きく違ってくる。
具体的には、２つのミラーにおけるｚ方向の間隔に依存し、２つのミラーの面内方向に伝搬する光同士が、互いに結合できる間隔程度しか離れていない場合、ミラーのｘ、ｙ方向の位置関係により共振器特性は大幅に変化する。
従って、ミラーのｘ、ｙ方向の位置関係が共振特性に大きく影響するため、作製するレーザ素子の特性を常に一定にするためには、ｘ、ｙ方向の位置関係を常に一定にする必要がある。
また、間隔がそれ以上のときにも、位置関係は常に一定の方が好ましい。これらの間隔は、共振器を構成する材料、ミラーを構成する材料、共振光の波長により決定される値である。
本実施例における共振器では、上述のミラーにおける伝搬光同士の結合を避けるよう、ｚ方向の間隔を大きく取っている。
γ方向についても、２つのミラーにおける面内方向の伝搬光が互いに結合できる場合には、γの回転角により共振器特性が変化する。従って、γの回転角は常に一定にする必要がある。
また、２つのミラーにおける面内方向の伝搬光が結合しない場合には、本実施例におけるミラーは互いに偏光依存性がないため、出射光の偏光特性はγ方向の回転には特に影響されない。
しかしこの場合も、ミラーの位置関係は常に一定となることが好ましい。
ｚ方向については、通常の垂直共振器型面発光レーザの共振器と同様に、２枚の反射鏡の距離Ｌが、垂直共振器型面発光レーザの共振条件を満たすように調整すればよい。
α、β方向については、回転はできる限り少なく、理想的には０となり２枚のミラーは完全に平行となることが好ましい。
しかし、本実施例のレーザ素子を結晶成長により一括で作製できるような場合には、この方向に対する回転はほとんどなくすことができるため、特別な調整をする必要はない。
【００３８】
また、下部共振器ミラー光閉じ込め層８０２、クラッド層８０５、８０８について、本実施例においては、面内方向の伝搬光に変換された共振光がミラー内部に有効に閉じ込められるよう、つぎのような材料が用いられている。
すなわち、ミラー面内にミラーの材料ＧａＮよりも屈折率の小さいＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎを用いている。
この目的では、例えばクラッドを共振器ミラー層と同じＧａＮとし、さらにミラーのフォトニック結晶を構成する空孔よりも十分小さな空孔を多数設けた構成をとることも可能である（いわゆるポーラス構造）。
このようにすることで、クラッド部分の実効的な屈折率を下げることができ、面内方向の伝搬光に変換された共振光を、ミラー内部に閉じ込めやすくなる。
また、ミラー面内方向の伝搬光の、クラッド層への染み出し長が小さくなるため、活性層とフォトニック結晶層内における共振光の結合の影響もより小さくすることができ、共振器長を短くすることができる。
上部、下部共振器ミラーともに、上述の２次元スラブ型のフォトニック結晶による光反射領域の周囲は、電流注入領域８１３である。電流注入領域には電気抵抗を低減するため、空孔は設けない。
そのため、フォトニック結晶構造が設けてある領域のみがミラーとして作用する。ミラー領域の形状は円形型で、直径は１５μｍφである。
【００３９】
本実施例においては、電流狭窄構造は、結晶再成長による埋め込みヘテロ構造となっている。その他の電流狭窄構造として、ＡｌＮ層の選択酸化による狭窄構造などを採用することができる。
電極に通電し活性層に電流を注入すると、活性層からの放出光が共振器中で共振増幅され、レーザ発振する。発振波長は、波長４０５ｎｍの青色光である。電流は狭窄構造によって活性層の中央部に集中し、発光効率が上昇する。
上部、下部共振器ミラーにおける光反射のメカニズムは前述したとおりであり、フォトニック結晶面垂直方向への光反射率が１００％近くになるため、垂直共振器のミラーとして用いることができる。
そして、フォトニック結晶の空孔をテーパ−化したことにより、空孔壁を垂直に形成した場合より、ミラーそれぞれの反射帯域を広げることができる（図７参照）。
このため、作製誤差などにより反射帯域にずれが生じることがあっても、上下ミラーの反射帯域および共振器の共振波長の３つはより一致しやすくなり、レーザデバイスの性能低下を防ぎ、歩留まりを上げることが可能となる。
【００４０】
本実施例においては、反射帯域は３８５〜４１５ｎｍの約３０ｎｍである。この値は、空孔壁の傾斜を大きくすることにより、さらに大きくすることが可能である。
本実施例においては、共振器ミラーを２つともフォトニック結晶ミラーとしたが、一方を多層膜より成るＤＢＲミラーで置き換えることも可能である。
本実施例における活性層およびデバイスの構成材料はＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮを用い、青色レーザ光を得たが、これらに限られるものではない。
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＰ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの他のＩＩＩ−Ｖ族半導体及びそれらの混晶を用いることが可能である。
あるいは、ＺｎＳｅ／ＣｄＳｅ／ＺｎＳなどのＩＩ−ＶＩ族半導体およびそれらの混晶を用いることも可能である。
【００４１】
［実施例２］
本発明の実施例２における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図１０に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図を示す。
図１０において、１００１は基板、１００２は下部フォトニック結晶層光閉じ込め層、１００３は下部共振器ミラー層、１００４は下部共振器ミラーフォトニック結晶空孔、１００５は下部クラッド層、１００６は活性層、１００７は電流狭窄層である。
また、１００８は上部クラッド層、１００９は上部共振器ミラー層、１０１０は上部共振器フォトニック結晶空孔、１０１１はｎ電極、１０１２はｐ電極である。
【００４２】
本実施例において、基板は厚さ５２５μｍのＧａＡｓ基板、下部フォトニック結晶光閉じ込め層はｎ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓを用いており厚さ５００ｎｍである。
下部クラッド層はｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐを用いており厚さ７３５ｎｍである。
活性層はノンドープのＧｓ0.56Ｉｎ0.44Ｐ／（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐのひずみ量子井戸構造により構成され、井戸の層数は３層、井戸層および閉じ込め層の厚さはそれぞれ６ｎｍである。
上部クラッド層はｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐを用いており厚さ７３５ｎｍである。基板側ｎ電極はＮｉ／Ａｕ／Ｇｅを用い、基板裏面全体に蒸着してあり、ｐ電極はＡｕ−Ｚｎを用いたリング状電極である。
上下ミラー１００３、１００９の間隔（＝共振器長）は、約１．５μｍ（共振光約７．５波長分に相当）である。
【００４３】
つぎに、上部、下部共振器ミラー層について説明する。
図１１に、本実施例におけるそれぞれのフォトニック結晶ミラーを説明する模式図を示す。
図１１（ａ）はフォトニック結晶面に垂直な方向の断面図、図１１（ｂ）はフォトニック結晶面に垂直な方向から見たときの模式的平面図である。
２つのミラーの構成は、ミラーの厚さを除きすべて共通なため、図１１には上部共振器ミラーのみを示すものとする。
【００４４】
図１１（ａ）において、１１０１〜１１０４は、それぞれ組成を変えたＡｌxＧａ(1-x)Ａｓで構成されており、具体的な組成は１１０１から順にｘ＝０．７、０．６、０．５、０．４である。
ミラー全体の厚さは３３０ｎｍ、１１０１〜１１０４の層の厚さはそれぞれ、８６、８４、８２、７９ｎｍである。
各層の厚さは光路長が互いに等しくなるよう、屈折率を考慮して決定している。１１０５はフォトニック結晶を構成する空孔であり、本実施例では、孔壁はフォトニック結晶面に対して垂直に形成されている。
フォトニック結晶の空孔周期は２３５ｎｍ、空孔径は１７５ｎｍである。
【００４５】
図１１（ｂ）に示される１１０６はリング電極を形成する領域であり、ここから電流注入を行う。
下部共振器ミラー層については、厚さは４４０ｎｍであり、層構成や空孔周期および空孔径はすべて上部共振器ミラーと同様である。
ただし、ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ（ｘ＝０．７、０．６、０．５、０．４）各層の厚さは、ミラー全体の厚さが上部共振器ミラー層に比べ厚いことから、それぞれ１１７、１１１、１０８、１０４ｎｍとなる。
上下フォトニック結晶ミラー相互の位置関係に関しては、実施例１と同様である。
【００４６】
上記した積層膜は、つぎのような工程で製造することができる。
まず、ＧａＡｓ基板上に、上部共振器ミラー層（組成を変えたＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ層４層）、上部クラッド層、活性層、下部クラッド層、下部共振器ミラー層をＭＯＣＶＤ法を用いて順次成膜する。
ここでも、成膜の順番は後の基板除去工程のため、図１０と逆になる。
その上に、フォトニック結晶パターンをＥＢリソグラフィーにより描画し、ドライエッチングを用いて、下部共振器ミラーのフォトニック結晶空孔を形成する。これをウエハＡとする。
さらに、別のＧａＡｓ基板に、下部フォトニック結晶光閉じ込め層を成長し、これをウエハＢとする。
そして、ウエハＡの下部共振器ミラー層の上に、ウエハＢの下部フォトニック結晶光閉じ込め層を張り合わせ、熱融着法により接合する。
そして、ウエハＡ側のＧａＡｓ基板を研磨処理により数μｍ単位まで薄くし、ドライエッチングにより、ＧａＡｓ基板を取り除く。
【００４７】
次に、ＧａＡｓ基板を取り除いた後の上部共振器ミラー層上に、下部共振器ミラー層と同様の方法でフォトニック結晶パターンを形成する。そして、プロトン注入による電流狭窄層形成を行う。以上により、レーザ共振器の基本構造が完成する。
最後に、ＧａＡｓ基板裏面および上部共振器ミラー層上に、それぞれｎ、ｐ電極を蒸着法により形成し、熱ア二−ルによる電極の合金化を行う。
【００４８】
つぎに、下部および上部共振器ミラーにおけるフォトニック結晶部の特性について説明する。
図１１（ａ）に示すように、共振器ミラーは組成をわずかに変えたＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ多層膜で構成されているため、面に垂直な方向に対して、屈折率が準連続的に変化している。
この屈折率変化は実質的にはフォトニック結晶の周期変化に相当し、それぞれの層のフォトニックバンド構造も屈折率変化と同様の割合で変化する。
これらが、１枚のミラーとして平均化された特性が得られるため、実施例１で述べたような空孔をテーパ−化したものと同様の効果が得られる。
結果として、本実施例の構成でも、共振器ミラーの反射帯域を広くすることが可能である。得られるミラーの反射帯域は、上部、下部に対してそれぞれ６５０〜７１０ｎｍ、６４０〜７００ｎｍである。
また、本実施例の場合は、ミラーの膜構成を４層としたが、各層厚を薄く、膜の組成変化をさらに小さくすることによって、ミラー面に垂直方向の屈折率分布の変化をさらに滑らかにすることができる。
【００４９】
本実施例のデバイスに通電すると、活性層からの放出光が共振器中で共振増幅され、レーザ発振する。発振波長は、波長６７０ｎｍの赤色光である。
電流は電流狭窄構造により活性層の中央部に集中し、発光効率が上昇する。
本実施例においては、電流狭窄構造は、プロトン注入による高抵抗化プロセスにより作製したが、結晶再成長による埋め込みヘテロ構造や、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層の選択酸化による狭窄構造などを採用することができる。
本実施例においては、共振器ミラーを２つともフォトニック結晶ミラーとしたが、一方を多層膜より成るＤＢＲミラーで置き換えることも可能である。
本実施例における活性層およびデバイスの構成材料は、ミラー層にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、活性層およびクラッド層にＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰを用い赤色のレーザ光を得たが、これらに限られるものではない。
ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの他のＩＩＩ−Ｖ族半導体およびそれらの混晶、ＺｎＳｅ／ＣｄＳｅ／ＺｎＳなどのＩＩ−ＶＩ族半導体およびそれらの混晶などを用いることも可能である。
【００５０】
［実施例３］
本発明の実施例３における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
本実施例においては、構成、材料ともに共振器ミラー以外は実施例２と同様のため、共振器ミラーのみについて説明する。
図１２に、本実施例におけるそれぞれのフォトニック結晶ミラーを説明する模式図を示す。
図１２（ａ）はフォトニック結晶面に垂直な方向の断面図、図１２（ｂ）はフォトニック結晶面に垂直な方向から見たときの模式的平面図である。
２つのミラーの構成は、ミラーの厚さを除きすべて共通なため、図１２には上部共振器ミラーのみを示すものとする。
【００５１】
図１２（ａ）において、１２０１〜１２０４は実施例２と同じく、それぞれ組成を変えたＡｌxＧａ(1-x)Ａｓで構成されており、ミラー自体の厚みおよび各層の組成・厚みは１２０１から順に実施例２と同様である。
１２０５はフォトニック結晶を構成する空孔であり、本実施例では、孔壁はフォトニック結晶面に対してテーパ−型に形成されている。
結晶の周期は２３５ｎｍ、穴径は最大１９０ｎｍ、最小１６０ｎｍである。（ｂ）の１２０６も実施例２と同様、リング電極を形成する領域であり、ここから電流注入を行う。
上下フォトニック結晶ミラーの互いの位置関係に関しても、実施例１および２と同様である。
【００５２】
本実施例における積層膜は、つぎのような工程で製造することができる。
前述したように、本実施例におけるデバイスの構成は、共振器ミラーのフォトニック結晶空孔の形状を除き実施例２と同様である。
従って、デバイス全体の製造工程の内容および順序自体は、実施例２と全く同様となる。
ミラー部分においては、フォトニック結晶の空孔形成の際、ドライエッチングのパラメータを調節することで、空孔をテーパ−化することができるため、エッチング条件のみが実施例２とは異なる。
【００５３】
つぎに、本実施例における共振器ミラーの機能について説明する。
本実施例における共振器ミラーは、実施例２と同様、構成物質であるＡｌxＧａ(1-x)Ａｓの組成を少しずつ変えた多層膜に、周期的に空孔を設けたフォトニック結晶ミラーである。
ただし、本実施においては、空孔は実施例１と同じくテーパ−化され、ミラー面に垂直な方向に対して空孔径が連続的に一定の割合で変化した構造となっている。
このようにすることで、組成が少しずつ変化した多層膜を用いてミラーを作製したこと、および空孔をテーパ−化したこと両方が、フォトニック結晶の実効的な周期の変化として作用する。
従って、本実施例におけるミラーのフォトニックバンド特性は、フォトニック結晶の空孔をテーパ−化した分、同一の膜組成である実施例２よりも広帯域に渡り、ミラーの反射帯域もより広範囲になる。
本実施例ではミラーの反射範囲は、上側、および下側で６１５〜７２５ｎｍ、６２５〜７３５ｎｍである。
【００５４】
以上の本実施例の構成によれば、より広帯域のミラーを用いフォトニック結晶面発光レーザとすることで、より安定な面発光レーザデバイスを供給でき、かつ作製歩留まりを向上させることが可能である。
ただし、異なる組成のＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ層複数で構成されているため、テーパ−型を形成するためのドライエッチングプロセスは、実施例１より困難になる。本実施例においては、共振器ミラーを２つともフォトニック結晶ミラーとしたが、一方を多層膜より成るＤＢＲミラーで置き換えることも可能である。
【００５５】
［実施例４］
本発明の実施例４における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
本実施例においては、構成、材料ともに共振器ミラー以外は実施例１と同様のため、共振器ミラーのみについて説明する。
図１３に、本実施例におけるそれぞれのフォトニック結晶ミラーを説明する模式図を示す。
図１３（ａ）はフォトニック結晶面に垂直な方向の断面図、図１３（ｂ）はフォトニック結晶面に垂直な方向から見たときの模式的平面図である。
２つのミラーの構成は、ミラーの厚さを除きすべて共通なため、図１３には上部共振器ミラーのみを示すものとする。
【００５６】
図１３において、１３０１は共振器ミラーを構成する薄膜、１３０２はミラーのフォトニック結晶を構成する空孔、１３０３はフォトニック結晶の周期構造を乱す部位（欠陥部）である。
上下共振器ミラーは、上部共振ミラーの厚さが２４０ｎｍ、下部共振器ミラーの厚さが２００ｎｍであり、それ以外のパラメータはすべて両者共通である。
本実施例においては、共振器ミラーを構成するフォトニック結晶は３角格子となっている。
空孔の周期は１６０ｎｍ、空孔の最大径は１３０ｎｍ、最小径は１１０ｎｍ（欠陥部ではそれぞれ半分の長さ）である。得られる反射帯域は、上部共振器ミラーが３８３〜４１８ｎｍ、下部共振器ミラーが３８５〜４１６ｎｍである。
【００５７】
本実施例における図１３のミラーを用いたデバイスの作製工程については、デバイスの構成が実施例１とほぼ同様なことから、作製工程もほぼ同様となる。
異なる箇所は、３角格子のフォトニック結晶部に欠陥を導入した共振器ミラーの作製法のみである。
具体的には、ミラーのフォトニック結晶部を作製する際、ＥＢリソグラフィにおいて欠陥部分の孔径を、周りのフォトニック結晶の半分とし、その後ドライエッチングを用い作製する。
こうして欠陥の入ったフォトニック結晶ミラーを作製することができる。さらに、本実施例においては、共振器ミラー層全体に渡って空孔を設け、光の発光部のみに欠陥を設ける。
【００５８】
つぎに、本実施例における共振器ミラーの機能について説明する。
図１３の共振器ミラーの光放射部には、フォトニック結晶における空孔の３周期ごとに、欠陥（径の半分の空孔）が導入されている。
図１３では２周期分の欠陥のみ示してあるが、実際にはおよそ１５周期分の欠陥が設けられている。
欠陥には、共振光がフォトニック結晶中で面内導波モードに変換された光が局在し、それらは隣接する欠陥に局在した導波モードの光と互いに結合する。
このような光は、面内で非常に強く結合するため、横モードがシングルモードの状態で発光する光のスポットサイズを大きくすることができる。
さらに、周りの欠陥のない領域では、発振光の波長は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの波長域にちょうど入るため、発振光はそれらの領域を伝搬することができない。
従って、中央部の欠陥が設けられている領域からのみ、レーザ光が放射され、また光が共振器ミラーの面内方向に漏れるのを防ぐことができる。
【００５９】
本実施例におけるレーザデバイスに通電すると、活性層からの放出光が共振器中で共振増幅され、レーザ発振する。
発振波長は、波長４０５ｎｍの青色光である。電流は電流狭窄構造により活性層の中央部に集中し、発光効率が上昇する。
本実施例においては、欠陥はフォトニック結晶の基本周期の３倍周期で導入したが、これ以外の周期で導入することも可能である。
また、必ずしも周期的である必要はなく、非周期的な欠陥にすることもできる。いずれの場合も、欠陥に局在した光が互いに結合しあえる距離であることが必要である。
さらに、本実施例では、空孔の径を元のフォトニック結晶の孔径に比べて小さくすることで欠陥としたが、逆に径を大きくする、または空孔を取り除くことでも欠陥の形成が可能である。
また、ミラーの組み合わせに関して、本実施例においては、共振器ミラーを２つともフォトニック結晶ミラーとしたが、一方を多層膜より成るＤＢＲミラーで置き換えることも可能である。
実施例１で説明したような、空孔をテーパ−型にしたフォトニック結晶ミラーに、本実施例のように欠陥を導入することにより、ミラーの反射帯域を広くするとともに、さらに前述した理由によりスポットサイズ拡大の効果を加えることができる。
【００６０】
［実施例５］
本発明の実施例５における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図１４に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図を示す。
図１４において、１４０１は基板、１４０２は下部フォトニック結晶層光閉じ込め層、１４０３は下部第１共振器ミラー層、１４０４は下部第２共振器ミラー層、１４０５は下部共振器ミラーフォトニック結晶空孔、１４０６は下部クラッド層である。
また、１４０７は活性層、１４０８は電流狭窄層、１４０９は上部クラッド層、１４１０は上部第１共振器ミラー層、１４１１は上部第２共振器ミラー層、１４１２は上部共振器ミラーフォトニック結晶空孔である。
また、１４１３はｎ電極、１４１４はｐ電極である。
【００６１】
本実施例では、材料は実施例１と同じくＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系の半導体を用いている。
基本的なデバイス構成、パラメータ、材料、材料組成は実施例１と同様である。実施例１と異なる部分は以下の点である。
まず、共振器ミラーが２枚のフォトニック結晶で構成されており、材料はＧａＮを用いている。
また、共振器長が短くなり、９４０ｎｍ（約５．５波長分）であり、それに伴い上下クラッド層の厚さがそれぞれ４６０ｎｍとなっている。
【００６２】
本実施例におけるデバイスは、以下のようにして作製することができる。
まず、サファイア基板上に、ＧａＮ犠牲層、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎエッチングストップ層、上部共振器第１ミラー層、上部クラッド層、活性層、下部クラッド層を成膜する。
本実施例でも実施例１と同様に、後にこのウエハのサファイア基板を除去して上部第２共振器ミラーを貼り合わせるため、基板に対する層構成は図１４と逆になっている。
そして、下部クラッド層の中央部を円形に覆うようにレジストでマスクし、その周辺部を、ドライエッチングにて活性層を掘りぬき上部クラッド層途中まで除去する。
次に、その部位にｎ−ＧａＮ、ｐ−ＧａＮの順番でそれぞれ２周期ずつ、埋め込みヘテロ型電流狭窄層を再度成長させる。
ＣＭＰ法などにより埋め込み層と下部クラッド層の面を平滑化した後、その上に再度下部クラッド層を成長させる。
その後、成長した下部クラッド層の上にさらに下部共振器第２ミラー層を成膜し、ＥＢリソとドライエッチングにより、フォトニック結晶の空孔を形成する。
形成する空孔は、下部共振器第２ミラーのみであり、成膜したミラーの表面より孔径が逆テーパ−となるように、エッチング条件を調整してフォトニック結晶構造を形成する。
ただし、この場合、テーパ−の方向が実施例１とは逆、すなわちエッチング面から掘り進むにつれて孔径がだんだん広がる方向に（逆テーパーと呼ぶ）形成する必要がある。
さらに、空孔壁の傾きも実施例１の２倍となる。これもドライエッチングの条件を調整することで作製することができる。
以上のように作製したウエハを、ウエハＡとする。
【００６３】
次に、ＧａＮ基板に下部共振器ミラー光閉じ込め層、下部第２共振器ミラー層の順に成膜し、その上からやはりＥＢリソとドライエッチングを用いてフォトニック結晶パターンを形成する。
このときも、下部共振器第１ミラー層と同じく空孔はミラー表面より逆テーパーとなるようにする。
これをウエハＢとする。さらに、今度は別のサファイア基板にＧａＮ犠牲層、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎエッチングストップ層を成膜する。
そして、その上に、上部共振器第２ミラー層を成膜、これまでと同様逆テーパーのフォトニック結晶空孔パターンを形成する。これをウエハＣとする。
【００６４】
このようにウエハの準備をした後、次は張り合わせ工程へと入る。
まず、ウエハＡの下部共振器第２ミラーの上に、ウエハＢの下部共振器第１ミラーの面を熱融着法により接合する。
接合はホールの位置が正確に合わさるよう、あらかじめつけておいたアラインメントマークがそれぞれ符合するように行われる。この工程で、まず下部共振器ミラーが完成する。
さらに、ウエハＡサファイア基板をＮｄ：ＹＡＧレーザを照射したレーザリフトオフ法により除去して、ＣＭＰ法などによりＧａＮ犠牲層表面を平滑化する。
そして、Ｃｌ2＋Ｏ2ガスを用いたＩＣＰドライエッチングにより、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎエッチングストップ層までＧａＮ犠牲層を除去する。
その後、上部共振器第１ミラー層のフォトニック結晶パターンをこれまでと同様逆テーパ−に形成し、その上にウエハＣの上部共振器第２ミラーの面を、下部共振器ミラーと同様の作製法にて接合する。
その後、再び、ウエハＡのサファイア基板を除去したのと同様な方法でサファイア基板を除去し、上部共振器ミラーが完成する。最後に、ＧａＮ基板裏面および上部共振器第２ミラー層上に、それぞれｎ、ｐ電極を蒸着法により形成する。
【００６５】
上下の共振器ミラーの相互位置関係も実施例１と同様である。
また、上部および下部の共振器ミラーの一方における、第１のミラーと第２のミラーとの相互位置関係については、両者が一枚のミラーとして機能するために、それぞれの空孔の位置が可能な限り誤差なく一致することが必要である。
上下共振器ミラーにおいて、それぞれのミラーを構成する第１、第２ミラー２枚を合わせた厚さの合計は、実施例１の上下共振器ミラーと同様である。したがって、第１、第２ミラー自体は、それぞれ半分の厚さとなっている。
さらに、フォトニック結晶空孔周期も同様である。また、空孔の最大径、及び最小径に関しても、それぞれ実施例１の空孔の最大径、最小径と同様となる。従って、空孔壁の傾きは、実施例１の２倍となっている。
【００６６】
本実施例においては、共振器ミラーは２つの層が張り合わされ、それぞれの層で接合境目に向かって空孔径が漸減し、境目の空孔径が最も小さくなっている。この構造では、空孔径の連続的な変化という点では実施例１と同様であり、従って、得られる広帯域化の効果も同様となる。
しかし、ミラー全体の平均屈折率を考慮した場合、中央部（接合部）において最も平均屈折率が大きくなっているため、ミラーの中央部に光を効率よく閉じ込めることができる。
また、ミラー面内方向の伝搬光の、クラッド層への染み出し長が小さくなるため、活性層との結合の影響もより小さくすることができ、共振器長を短くすることができる。
本実施例におけるレーザデバイスに通電すると、活性層からの放出光が共振器中で共振増幅され、レーザ発振する。発振波長は、波長４０５ｎｍの青色光である。電流は狭窄構造により活性層の中央部に集中し、発光効率が上昇する。
本実施例においては、共振器ミラーを２つともフォトニック結晶ミラーとしたが、一方を多層膜より成るＤＢＲミラーで置き換えることも可能である。
本実施例における活性層およびデバイスの構成材料はＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮを用い、青色のレーザ光を得たがこれらに限られるものではない。
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＰ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの他のＩＩＩ−Ｖ族半導体およびそれらの混晶などを用いることも可能である。あるいは、ＺｎＳｅ／ＣｄＳｅ／ＺｎＳなどのＩＩ−ＶＩ族半導体およびそれらの混晶などを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態における説明に用いられる２次元のフォトニック結晶の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における説明に用いられる２次元のフォトニック結晶を斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態における説明に用いられるフォトニックバンド構造の模式図である。
【図４】本発明の実施の形態における共振器ミラーの一つの構成例における模式的断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における共振器ミラーの他の構成例における模式的断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における空孔径の異なる２次元のフォトニック結晶におけるそれぞれのフォトニックバンドを表す図（ＴＭ偏光のフォトニックバンド図）である。
【図７】本発明の実施の形態における２次元フォトニック結晶ミラーの反射特性を説明する図である。（ａ）は２次元フォトニック結晶ミラーにおける単一のバンドに対して得られる反射特性の様子を表した模式図、（ｂ）は２次元フォトニック結晶ミラーにおけるバンド４本に対して得られる反射特性を表した模式図である。
【図８】本発明の実施例１における垂直共振器型面発光レーザの構成を説明する模式図をである。（ａ）は実施例１における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図であり、（ｂ）は共振器ミラーを面に垂直な方向から見た模式的平面図である。
【図９】本発明の実施例１における共振器を構成する２枚のミラーの相対的位置関係を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例２における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図である。
【図１１】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶ミラーを説明する模式図である。（ａ）はフォトニック結晶面に垂直な方向の断面図、（ｂ）はフォトニック結晶面に垂直な方向から見たときの模式的平面図である。
【図１２】本発明の実施例３におけるフォトニック結晶ミラーを説明する模式図である。（ａ）はフォトニック結晶面に垂直な方向の断面図、（ｂ）はフォトニック結晶面に垂直な方向から見たときの模式的平面図である。
【図１３】本発明の実施例４におけるフォトニック結晶ミラーを説明する模式図である。（ａ）はフォトニック結晶面に垂直な方向の断面図、（ｂ）はフォトニック結晶面に垂直な方向から見たときの模式的平面図である。
【図１４】本発明の実施例５における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
８０１：基板
８０２：下部共振器ミラー光閉じ込め層
８０３：下部共振器ミラー層
８０４：下部共振器ミラーフォトニック結晶空孔
８０５：下部クラッド層
８０６：活性層
８０７：電流狭窄層
８０８：上部クラッド層
８０９：上部共振器ミラー層
８１０：上部共振器ミラーフォトニック結晶空孔
８１１：ｎ側電極
８１２：ｐ側電極
【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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【図１４】
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