(57)【要約】      （修正有）【課題】外周部分のクラッド層とコア層の屈折率差をフォトニックバンドギャップの形成に十分な大きさとし、活性部分のクラッド層の抵抗を下げた、波長が１．３μｍおよび１．５５μｍの半導体レーザを提供する。【解決手段】光を発生する活性部分と、発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分とを同一基板上に形成する。基板１１はＩｎＰ基板である。活性部分は、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる第１導電型のクラッド層１２と、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなる活性層を含むコア層２１と、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる第２導電型のクラッド層１７とを有する。外周部分は、第１導電型のクラッド層を酸化した第１のクラッド層２２と、コア層２７と、第２導電型のクラッド層を酸化した第２のクラッド層２５とを有する。外周部分に、所定の周期で複数の空孔２６が配列された２次元フォトニック結晶を形成する。【選択図】図１
2009239260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生する活性部分と、発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分とが同一基板上に形成された半導体レーザであって、
前記基板はＩｎＰ基板であり、
前記活性部分は、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる下部クラッド層と、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなる活性層を含むコア層と、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる上部クラッド層とを有し、
前記外周部分は、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを酸化した物質からなる第１のクラッド層と、コア層と、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを酸化した物質からなる第２のクラッド層とを有し、
前記外周部分に、所定の周期で複数の空孔が配列された２次元フォトニック結晶が形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性部分のコア層は、第１導電型のＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる光ガイド層と、第２導電型のＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる光ガイド層とを更に有し、
前記外周部分のコア層は、第１導電型のＩｎＰコア層と、第２導電型のＩｎＰコア層とを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記外周部分のコア層は、アンドープＩｎＰコア層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記外周部分の第１および第２のクラッド層の膜厚はそれぞれ５００ｎｍ以上であり、
前記外周部分のコア層の膜厚は２８０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記外周部分の第１および第２のクラッド層の膜厚はそれぞれ５００ｎｍ以上であり、
前記外周部分のコア層の膜厚は前記複数の空孔の配列周期の７０％以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体レーザ。
【請求項６】
電流を注入する第１の電極及び第２の電極に接する半導体層の導電型が共にｎ型であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記基板および前記下部クラッド層はｎ型であり、
前記上部クラッド層はｐ型であり、
前記活性部分は、前記上部クラッド層上に順番に設けられたｐ型トンネル接合層、ｎ型トンネル接合層、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層を更に有し、
前記基板に前記第１の電極が接合され、
前記ｎ型コンタクト層に前記第２の電極が接合されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記外周部分は１組以上の反射鏡を有することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記共振器の前記２次元フォトニック結晶面内における形状は平行な部分がないことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記共振器の前記２次元フォトニック結晶面内における形状は円形であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
前記２次元フォトニック結晶内に光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の半導体レーザ。
【請求項１２】
光を発生する活性部分と、発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分とが同一基板上に形成された半導体レーザの製造方法であって、
ＩｎＰ基板上に、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる下部クラッド層、下部ＩｎＰ光ガイド層、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなる活性層、および第１の上部ＩｎＰ光ガイド層を順番に形成する工程と、
前記外周部分において、前記第１の上部ＩｎＰ光ガイド層および前記活性層をエッチングする工程と、
エッチングの後に、第２の上部ＩｎＰ光ガイド層、および、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる上部クラッド層を順番に形成する工程と、
前記外周部分において、前記上部クラッド層、前記第２の上部ＩｎＰ光ガイド層、前記下部ＩｎＰ光ガイド層、および前記下部クラッド層に所定の周期で複数の空孔を形成して２次元フォトニック結晶を形成する工程と、
前記複数の空孔を介して、前記外周部分の前記下部クラッド層および前記上部クラッド層を酸化する工程とを備えることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
前記外周部分の前記下部クラッド層および前記上部クラッド層の膜厚をそれぞれ５００ｎｍ以上とし、
前記外周部分の前記下部ＩｎＰ光ガイド層と前記第２の上部ＩｎＰ光ガイド層の合計膜厚を２８０ｎｍ以上とすることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザの製造方法。  
【請求項１４】
前記外周部分の前記下部クラッド層および前記上部クラッド層の膜厚をそれぞれ５００ｎｍ以上とし、
前記外周部分の前記下部ＩｎＰ光ガイド層と前記第２の上部ＩｎＰ光ガイド層の合計膜厚を前記複数の空孔の配列周期の７０％以上とすることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
光を発生する活性部分と、発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分とが同一基板上に形成された半導体レーザの製造方法であって、
ＩｎＰ基板上に、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる下部クラッド層、下部ＩｎＰ光ガイド層、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなる活性層、および上部ＩｎＰ光ガイド層を順番に形成する工程と、
前記外周部分において、前記上部ＩｎＰ光ガイド層、前記活性層および前記下部ＩｎＰ光ガイド層をエッチングする工程と、
エッチングの後に、前記外周部分にアンドープＩｎＰコア層を形成する工程と、
前記アンドープＩｎＰコア層を形成した後に、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる上部クラッド層を形成する工程と、
前記外周部分において、前記上部クラッド層、前記アンドープＩｎＰコア層、および前記下部クラッド層に所定の周期で複数の空孔を形成して２次元フォトニック結晶を形成する工程と、
前記複数の空孔を介して、前記外周部分の前記下部クラッド層および前記上部クラッド層を酸化する工程とを備えることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
前記外周部分の前記下部クラッド層および前記上部クラッド層の膜厚をそれぞれ５００ｎｍ以上とし、
前記外周部分の前記アンドープＩｎＰコア層の膜厚を２８０ｎｍ以上とすることを特徴とする請求項１５に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
前記外周部分の前記下部クラッド層および前記上部クラッド層の膜厚をそれぞれ５００ｎｍ以上とし、
前記外周部分の前記アンドープＩｎＰコア層の膜厚を前記複数の空孔の配列周期の７０％以上とすることを特徴とする請求項１５に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１８】
前記外周部分は１組以上の反射鏡を有することを特徴とする請求項１２〜１７の何れかに記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１９】
前記共振器の前記２次元フォトニック結晶面内における形状は平行な部分がないことを特徴とする請求項１２〜１７の何れかに記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項２０】
前記共振器の前記２次元フォトニック結晶面内における形状は円形であることを特徴とする請求項１２〜１７の何れかに記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項２１】
前記２次元フォトニック結晶内に光導波路を形成することを特徴とする請求項１２〜２０の何れかに記載の半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を発生する活性部分と発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分を有する電流注入型半導体レーザおよびその製造方法に関し、外周部分のクラッド層とコア層の屈折率差をフォトニックバンドギャップの形成に十分な大きさにすることができ、活性部分のクラッド層の抵抗を下げることができ、波長が１．３μｍおよび１．５５μｍの半導体レーザを比較的容易に製造することができる半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長多重伝送により光通信の更なる高速化、大容量化が可能となるが、波長多重伝送用の光モジュールの主要部品である波長フィルタは高価である。そこで、導波路や波長フィルタ等を容易に作製できるフォトニック結晶を用いた光デバイスの研究がなされている。２次元フォトニック結晶内に形成され、面内方向に光を出射し光導波路と光結合可能な電流注入型半導体レーザでは、光が導波されるコア層とその上下のクラッド層には大きな屈折率差が必要である。屈折率差が小さいと、光閉じ込めが弱くなり、光の損失が大きく、フォトニック結晶として機能しない。そこで、クラッド層を低屈折率の空気とするものが多いが、放熱性が悪く機械的にも強度不足である。
【０００３】
２次元フォトニック結晶内に形成された電流注入型半導体レーザとして、光を発生する活性部分のクラッド層には電流が流れる半導体を用い、発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分のクラッド層にはコア層と大きな屈折率差をもつ低屈折率の酸化層を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、２次元フォトニック結晶内に形成された電流注入型半導体レーザと光導波路の光集積回路が報告されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９６５６０号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓをクラッド層として用い、外周部分においてＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化していた。これにより、外周部分のクラッド層とコア層の屈折率差をフォトニックバンドギャップの形成に十分な大きさにすることができた。しかし、抵抗の高いＡｌ（Ｇａ）Ａｓ（活性部分のクラッド層）を介して電流を注入しなければならなかった。
【０００６】
また、従来は、基板の材料としてＧａＡｓ、活性層の材料としてＧａＩｎＮＡｓを用いていたため、波長多重伝送用光モジュールに適用される波長が１．３μｍおよび１．５５μｍの半導体レーザを製造することは技術的に困難であった。
【０００７】
また、従来は、外周部分のコア層と活性部分のｐ型の光ガイド層を同時に成長していた。そして、電流注入のためにｐ型の光ガイド層としてｐ型ＧａＡｓを用いていた。従って、光導波路となる外周部分のコア層においてｐのキャリアによる光の損失があった。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その第１の目的は、外周部分のクラッド層とコア層の屈折率差をフォトニックバンドギャップの形成に十分な大きさにすることができ、活性部分のクラッド層の抵抗を下げることができ、波長が１．３μｍおよび１．５５μｍの半導体レーザを比較的容易に製造することができる半導体レーザおよびその製造方法を得るものである。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は、外周部分のコア層においてキャリアによる光の損失を小さくすることができる半導体レーザおよびその製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体レーザは、光を発生する活性部分と、発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分とが同一基板上に形成された半導体レーザであって、  前記基板はＩｎＰ基板であり、前記活性部分は、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる下部クラッド層と、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなる活性層を含むコア層と、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなる上部クラッド層とを有し、前記外周部分は、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを酸化した物質からなる第１のクラッド層と、コア層と、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを酸化した物質からなる第２のクラッド層とを有し、前記外周部分に、所定の周期で複数の空孔が配列された２次元フォトニック結晶が形成されている。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、外周部分のクラッド層とコア層の屈折率差をフォトニックバンドギャップの形成に十分な大きさにすることができ、活性部分のクラッド層の抵抗を下げることができ、波長が１．３μｍおよび１．５５μｍの半導体レーザを比較的容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】フォトニックバンドギャップの上端と下端のエネルギー（２つの実線）、ライトコーンのエネルギー（破線）を平面波展開法によりプロットしたフォトニックバンド図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】２次元フォトニック結晶を用いた半導体レーザと光結合する光導波路を示す概念図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザと光導波路を用いた集積光回路を示す概念図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る半導体レーザと光導波路を用いた集積光回路を示す概念図である。
【図１６】本発明の実施の形態５に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態６に係る半導体レーザと光導波路を用いた集積光回路のＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層における切断面の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザを示す断面図である。この半導体レーザは、光を発生する活性部分と、発生した光からレーザ光を得るための共振器の外周部分とが同一基板上に形成された電流注入型半導体レーザである。本実施の形態では、外周部分は１組以上の反射鏡を有する。
【００１４】
活性部分において、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２、ｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１４、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７，１８、ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０が順番に形成されている。
【００１５】
ここで、ｎ型ＩｎＰ基板１１のｎ型不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３、膜厚は３００μｍである。ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２のｎ型不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３、膜厚は１．５μｍである。ｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３のｎ型不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３、膜厚は０．１５μｍである。ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１４のｎ型不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３、膜厚は０．０５μｍである。アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５は実効的に０．８ｅＶのバンドギャップを持ち、膜厚は０．０４μｍである。ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６のｐ型不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３、膜厚は０．０５μｍである。ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７，１８のｐ型不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３、膜厚は０．１５μｍである。ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９のｐ型不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３、膜厚は１．５μｍである。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０のｐ型不純物濃度は１×１０１９ｃｍ−３、膜厚は０．３μｍである。
【００１６】
活性部分のコア層２１は、上記のようにｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１４、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６、およびｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７，１８を有する。
【００１７】
また、外周部分において、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２を酸化したＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層２２、ｎ型ＩｎＰコア層２３、ｐ型ＩｎＰコア層２４、および、ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９を酸化したＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層２５が順番に形成されている。そして、外周部分に、所定の周期で複数の空孔２６が配列された三角格子状の２次元フォトニック結晶が形成されている。
【００１８】
ここで、ｎ型ＩｎＰコア層２３のｎ型不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３、ｐ型ＩｎＰコア層２４のｐ型不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３である。ｎ型ＩｎＰコア層２３とｐ型ＩｎＰコア層２４の合計膜厚は２８０ｎｍである。空孔２６の配列の周期は０．４μｍ、空孔２６の直径は０．２４μｍである。
【００１９】
外周部分のコア層２７は、ｎ型ＩｎＰコア層２３とｐ型ＩｎＰコア層２４を有する。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０上にｐ側電極２８が形成され、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にｎ側電極２９が形成されている。３０，３１は再成長界面である。
【００２０】
本実施の形態に係る半導体レーザの製造方法について説明する。まず、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２、ｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１４、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７を順番に形成する。ここで、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６の酸化を防ぐキャップ層となる。
【００２１】
次に、フォトリソグラフィにより活性部分をレジスト（不図示）で覆った状態で、図３に示すように、外周部分において、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１４をエッチングする。ここでは約１６０ｎｍエッチングする。
【００２２】
次に、図４に示すように、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１８、ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０を順番に形成する。ここで、外周部分のｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３とｐ型ＩｎＰ光ガイド層１８は、それぞれｎ型ＩｎＰコア層２３とｐ型ＩｎＰコア層２４に該当する。
【００２３】
次に、図５に示すように、活性部分以外においてｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０をエッチング除去する。そして、フォトリソグラフ工程およびｎ型ＩｎＰ基板１１の上部までのドライエッチングにより、外周部分において所定の周期で複数の空孔２６を形成して三角格子状の２次元フォトニック結晶を形成する。
【００２４】
次に、複数の空孔２６を介して、外周部分のｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２とｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９を距離約０．１μｍ程度選択酸化することで、図１に示すようにＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層２２，２５を形成する。そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０上にｐ側電極２８を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にｎ側電極２９を形成する。以上の工程により本実施の形態に係る半導体レーザが製造される。
【００２５】
酸化されたＡｌＩｎＡｓ（ＡｌＩｎＡｓＯｘ）の屈折率は２．３〜２．５である（特開２００１−３５００３９号公報の段落００３３参照）。従って、外周部分のクラッド層として酸化されたＡｌＩｎＡｓを用いることで、外周部分のクラッド層とコア層の屈折率差をフォトニックバンドギャップの形成に十分な大きさにすることができる。
【００２６】
活性部分のクラッド層としてＡｌＩｎＡｓを用いることで、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓを用いた場合に比べて抵抗を下げることができる。また、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度は、膜厚に大きく依存し、Ａｌ組成０．４８〜０．７の範囲ではＡｌ組成に依存しない。例えば、酸化温度５００℃、膜厚１００ｎｍの場合、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度は０．５μｍ／ｍｉｎ１／２である（古河電工時報第１０７号参照）。従って、ＡｌＩｎＡｓはＡｌ（Ｇａ）Ａｓと同様に選択酸化が可能であるため、ＡｌＩｎＡｓ層を酸化することで外周部分のクラッド層を形成することができる。
【００２７】
また、基板の材料としてＩｎＰ、活性層の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いることで、波長が１．３μｍおよび１．５５μｍの半導体レーザを比較的容易に製造することができる。そして、一般的なＩｎＰ系材料であるＩｎＧａＡｓＰを用いるよりも、温度特性に優れたデバイス特性が期待できる。
【００２８】
また、基板の材料としてＩｎＰ、活性層の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓ、光ガイド層の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓ、クラッド層としてＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを用いた場合、ＡｓとＰを切り替える必要が無いため、連続成長でき、高品質な結晶が得られる。
【００２９】
図６は、フォトニックバンドギャップの上端と下端のエネルギー（２つの実線）、ライトコーンのエネルギー（破線）を平面波展開法によりプロットしたフォトニックバンド図である。ここで、フォトニックバンドギャップの中点（ドット）のエネルギーが０．８ｅＶ（１．５５μｍ）になるように格子定数を選び、クラッド層が十分に厚いと仮定し、コア層を屈折率３．４のＩｎＰ、クラッド層を屈折率２．３〜２．５のＡｌＩｎＡｓ酸化層（ＡｌＩｎＡｓＯｘ）として計算を行った。ここで、ライトコーンより高エネルギー側の光はコア層から漏れてしまうので、フォトニックバンドギャップの中点付近にある欠陥準位がライトコーンより低エネルギー側でなければならない。従って、計算結果から、ＩｎＰコア層の膜厚が２８０ｎｍ以上必要であることが分かる。即ち、ＩｎＰコア層の膜厚は複数の空孔の配列周期の７０％以上必要である。
【００３０】
よって、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２とｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９の膜厚をそれぞれ５００ｎｍ以上とし、外周部分のコア層２７の膜厚（ｎ型ＩｎＰコア層２３とｐ型ＩｎＰコア層２４の合計膜厚）を２８０ｎｍ以上または複数の空孔２６の配列周期の７０％以上とする。これにより、光がコア層から漏れるのを防ぐことができる。
【００３１】
なお、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２およびｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９はＡｌＩｎＡｓからなるが、これに限らずＡｌＧａＩｎＡｓでもよい。この場合、外周部分のクラッド層２２，２５はＡｌＧａＩｎＡｓを酸化した物質からなる。また、外周部分のクラッド層２２，２５は、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを酸化した物質からなるが、活性部分のクラッド層１２，１９とは異なる物質を酸化した物質からなっていてもよい。また、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５はＡｌＧａＩｎＡｓからなるが、これに限らずＩｎＧａＡｓＰでもよい。
【００３２】
また、共振器長の長さを変化させることや、レーザ発振用の電極の他に電流注入により屈折率を変化させる電極を設けることで、発振波長を変えることができる。また、２次元フォトニック結晶内に光導波路を形成することで、光導波路と電流注入型半導体レーザを同一基板上に一体型に形成することができる。
【００３３】
また、外周部分のコア層にＩｎＧａＡｓＰ、光ガイド層にＡｌＩｎＡｓを用いてもよい。また、各層の膜厚は本実施の形態のものに限定されるものではない。例えば、活性層部のウェル数を増やし（２〜１５ウェル）、３０〜２００ｎｍ程度の膜厚を用いてもよい。この膜厚に応じてエッチングの厚みも変化する。
【００３４】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザを示す断面図である。外周部分のコア層２７は、アンドープＩｎＰコア層３２を有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３５】
本実施の形態に係る半導体レーザの製造方法について説明する。まず、図８に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２、ｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１４、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７を順番に形成する。ここで、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６の酸化を防ぐキャップ層となる。
【００３６】
次に、フォトリソグラフィにより活性部分をレジスト（不図示）で覆った状態で、図９に示すように、外周部分において、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１６、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層１５、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１４、ｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３をエッチングする。ここでは約３５０ｎｍエッチングする。
【００３７】
次に、図１０に示すように、外周部分にアンドープＩｎＰコア層３２を形成する。そして、図１１に示すように、ｐ型ＩｎＰ光ガイド層１８、ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０を順番に形成する。ここで、外周部分のｎ型ＩｎＰ光ガイド層１３とｐ型ＩｎＰ光ガイド層１８は、それぞれｎ型ＩｎＰコア層２３とｐ型ＩｎＰコア層２４に該当する。
【００３８】
次に、図１２に示すように、活性部分以外においてｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０をエッチング除去する。そして、フォトリソグラフ工程およびｎ型ＩｎＰ基板１１の上部までのドライエッチングにより、外周部分において所定の周期で複数の空孔２６を形成して三角格子状の２次元フォトニック結晶を形成する。
【００３９】
次に、複数の空孔２６を介して、外周部分のｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２とｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９を距離約０．１μｍ程度選択酸化することで、図７に示すようにＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層２２，２５を形成する。そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０上にｐ側電極２８を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にｎ側電極２９を形成する。以上の工程により本実施の形態に係る半導体レーザが製造される。
【００４０】
外周部分のコア層２７としてアンドープＩｎＰコア層３２を形成することで、光導波路となる外周部分のコア層２７においてキャリアによる光の損失を小さくすることができる。また、活性部分のｐ型ＩｎＰ光ガイド層１７，１８のキャリア濃度を下げる必要がないため、例えば１×１０１８ｃｍ−３とすることができる。これにより、活性部分のクラッド層の抵抗をさらに下げることができる。
【００４１】
また、実施の形態１と同様に、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１２とｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９の膜厚をそれぞれ５００ｎｍ以上とし、外周部分のコア層２７の膜厚（アンドープＩｎＰコア層３２の膜厚）を２８０ｎｍ以上とする。これにより、光がコア層から漏れるのを防ぐことができる。
【００４２】
実施の形態３．
図１３は、２次元フォトニック結晶を用いた半導体レーザと光結合する光導波路を示す概念図である。２次元フォトニック結晶３３中に半導体レーザ３４と導波路３５が形成されている。この半導体レーザ３４は、実施の形態１または２に係る半導体レーザの活性部分に該当する。この半導体レーザ３４において共振が起こりレーザ発振し、半導体レーザ３４の出力光を導波路３５から取り出すことができる。また、半導体レーザ３４の光共振器の長さを変えることで、定在波の波長も変わるので、発振波長を変化させることができる。
【００４３】
図１４は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザと光導波路を用いた集積光回路を示す概念図である。２次元フォトニック結晶３３中に半導体レーザ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄと導波路３５を集積している。半導体レーザ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄは、実施の形態１または２に係る半導体レーザの活性部分に該当する。ただし、それぞれの光共振器の長さを変えている。これにより、１つの導波路３５から４つの異なる波長の光を取り出すことができる。
【００４４】
実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザと光導波路を用いた集積光回路を示す概念図である。半導体レーザ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄについて、レーザ発振用の電極以外に活性部分に発振波長を変化させる電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄをそれぞれ形成している。その他の構成は実施の形態３と同様である。電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄに電流を流すことで、屈折率が変化して共振器長が変化するので、発振波長を変化させることができる。
【００４５】
実施の形態５．
図１６は、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザを示す断面図である。実施の形態２のｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層１９が、ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層３７、ｐ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層３８、ｎ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層３９、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層４０に置き換わっている。実施の形態２のＩｎＧａＡｓコンタクト層２０および上部電極２８は、ｎ型に対応したｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４１およびｎ型上部電極４２に置き換わっている。その他の構成および製造方法は実施の形態２と同様である。
【００４６】
ｐ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層３８およびｎ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層３９の膜厚は共に１０ｎｍであり、キャリア濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。これらの層は超薄膜で超高キャリア濃度であるため、トンネル電流によりｐ型からｎ型に低抵抗で電導型を変換できる。ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層３７の膜厚は０．０８μｍであり、キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層４０の厚みは１．４μｍであり、キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。
【００４７】
外周部分の上部クラッド層に、酸化されないｐ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層３８およびｎ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層３９が存在するが、超薄膜であるので光の損失を発生させない。また、外周部分のＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層２５は、ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層３７とｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層４０を選択酸化することで形成される。
【００４８】
このように、半導体レーザにトンネル接合を導入することで、電流を注入する２つの電極およびそれが接する半導体層の伝導型を共にｎ型にすることができる。そして、ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓは、ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓに比べて、移動度が格段に高いために低抵抗になる。このため、活性部分の上部クラッド層、ひいては、レーザ素子全体の抵抗を大幅に低減できる。その結果、素子の発熱が抑制され、高速動作が可能になるなど多くの利点がある。
【００４９】
なお、本実施の形態では、トンネル接合がクラッド層に形成されているが、トンネル接合をコア層に形成しても良い。
【００５０】
実施の形態６．
図１７は、本発明の実施の形態６に係る半導体レーザと光導波路を用いた集積光回路のＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層における切断面の概念図である。
【００５１】
所定の周期で複数の空孔２６が配列された２次元フォトニック結晶３３中に、半導体レーザの共振器４３と導波路３５が形成されている。共振器４３は、実施の形態１，２又は５に係る半導体レーザの活性部分に該当する。
【００５２】
共振器４３のＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層には、選択酸化されたＡｌＩｎＡｓＯｘの部分４４と、未酸化のＡｌＩｎＡｓの部分４５が存在する。選択酸化された部分４４の幅を２３０ｎｍとする。
【００５３】
レーザの発振波長を１．３μｍ帯とするために、歪量子井戸活性層の実効的なバンドギャップを０．９５ｅＶ、２次元フォトニック結晶３３の空孔２６の配列周期を０．３２μｍ、空孔２６の直径を０．１９μｍとする。
【００５４】
実施の形態１、２では選択酸化された部分のコア層の膜厚は２８０ｎｍ以上、即ち空孔２６の配列周期の７０％以上必要である。これに対し、本実施の形態では、空孔２６の配列周期の８０％である２５６ｎｍとする。
【００５５】
共振器４３の２次元フォトニック結晶３３面内における形状が円形であり、平行な部分がない。しかし、共振器４３の外周部分に定在波が発生するウィスパーリング・ギャラリー・モードでレーザ発振する。このため、いわゆる反射鏡は不要である。即ち、２次元フォトニック結晶３３に囲まれた共振器４３は、かならずしも平行部分がなくても良く、共振特性が十分高ければその形状は限定されない。
【００５６】
また、半導体レーザの出力光は本発明の実施の形態３，４と同様に、導波路３５から取り出すことができる。そして、半導体レーザの共振器４３の大きさを変えることで、定在波の波長も変わるので、発振波長を変化させることができる。従って、実施の形態３，４と同様に集積光回路に適応できる。
【００５７】
また、本実施の形態では、共振器４３の切断面面積を大きくできるので、レーザ素子の抵抗を低減できる。また、ＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層の酸化距離が大きいので、導波路３５の部分が全て選択酸化されている。そのため、電極から注入された電流が導波路３５へ漏れる無効電流となることを阻止できる。
【符号の説明】
【００５８】
１１  ｎ型ＩｎＰ基板（ＩｎＰ基板）
１２  ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層（下部クラッド層）
１３  ｎ型ＩｎＰ光ガイド層（第１導電型の光ガイド層）
１４  ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層（第１導電型の光ガイド層）
１５  アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層（活性層）
１６  ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層（第２導電型の光ガイド層）
１７，１８  ｐ型ＩｎＰ光ガイド層（第２導電型の光ガイド層）
１９  ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層（上部クラッド層）
２１  活性部分のコア層
２２  ＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層（第１のクラッド層）
２３  ｎ型ＩｎＰコア層（第１導電型のＩｎＰコア層）
２４  ｐ型ＩｎＰコア層（第２導電型のＩｎＰコア層）
２５  ＡｌＩｎＡｓＯｘクラッド層（第２のクラッド層）
２６  空孔
２７  外周部分のコア層
２９  ｎ側電極（第１の電極）
３２  アンドープＩｎＰコア層
３７  ｐ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層（上部クラッド層）
３８  ｐ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層（ｐ型トンネル接合層）
３９  ｎ型Ｇａ０．7Ｉｎ０．3Ａｓトンネル接合層（ｎ型トンネル接合層）
４０  ｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓクラッド層（ｎ型クラッド層）
４１  ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層（ｎ型コンタクト層）
４２  ｎ型上部電極（第２の電極）
４３  共振器
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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