JP4906053B2 - フォトニック結晶光半導体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電流注入により動作するフォトニック結晶光半導体デバイスに関するものである。

フォトニック結晶は、半導体などに屈折率が該半導体とは異なる物質を光の波長程度の周期で配列させることにより周期構造を形成したものである。フォトニック結晶においては、周期構造によって起こる光の分布ブラッグ反射により、特定の波長の光はフォトニック結晶中を伝搬することができなくなる。したがって、このような周期構造に適切に設計された欠陥を導入すると、光はその欠陥部に局在することになる。ゆえに、例えば周期構造に点欠陥を導入することにより光共振器が実現でき、線欠陥を導入することにより光導波路が実現できる。

従来のフォトニック結晶に関する研究はパッシブデバイスへの応用に関するものが主流であり、その構造としては、周期的に配列された円孔を有する薄板半導体導波路層を空気クラッドにより挟んだエアブリッジ型と呼ばれる構造をとるものが多い。ところがエアブリッジ型は熱的・機械的に脆く、電流注入は困難であり、アクティブデバイスへの適用は困難であった。一方、空気クラッドの代わりに半導体クラッド層により導波路層を挟んだ半導体クラッド型の構造も検討されている。半導体クラッド型では、エアブリッジ型に比べて導波路層とクラッド層間の屈折率差が小さく、光閉じ込めが弱いため導波路損失が大きくなることや、深い円孔を形成する必要があることといった課題があるが、放熱特性が良く、また、電流注入が容易であるため、光半導体デバイスをはじめとするアクティブデバイスなどの各種機能デバイスへの応用が期待できる。

ところで、フォトニック結晶構造を有し、周期構造に線欠陥を導入して導波路を構成した半導体クラッド型のフォトニック結晶光半導体デバイスとしては、図６に示すように、下面に下部電極１０８´が形成された半導体基板１０１´の上に、下部クラッド層１０２´、活性層１０３´、上部クラッド層１０６´、上面に上部電極１０９´が形成されたコンタクト層１０７´が順次積層された構造を有し、コンタクト層１０７´から上部クラッド層１０６´が積層された方向へ活性層１０３´の下面よりも深い位置まで形成されかつ該積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造が形成されるように格子状に配列された複数の空孔１１０´を有する空孔形成領域と、該空孔形成領域の間に位置する線欠陥導波路領域とが形成されているフォトニック結晶半導体レーザ素子１００´がある。

また、線欠陥導波路への電流注入方法としては、非特許文献１に開示されているように、図６に示すようなフォトニック結晶光半導体レーザ素子において、線欠陥導波路領域の外側のコンタクト層及びｐ側電極を除去した構造として、電流を注入する方法が検討されている。

A. Talneau, et al., "High external efficiency in a monomode full-photonic-crystal laser under continuous wave electric injection", Applied Physics Letters, v.85, no.11, pp.1913-1915

ところが従来のフォトニック結晶光半導体デバイスでは、電極から注入された電流は線欠陥導波路領域から外側の領域にも広がってしまい、線欠陥導波路領域へ効率の良い電流注入を行なうことができなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、線欠陥導波路への電流注入効率が高いフォトニック結晶光半導体デバイスを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るフォトニック結晶光半導体デバイスは、半導体基板と、前記半導体基板上に積層された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に積層されたメサストライプ状の活性層と、前記活性層の両側に該活性層を埋め込むように積層された電流ブロック層と、前記活性層と前記電流ブロック層との上部に積層された上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に積層されたコンタクト層と、前記半導体層の下面に形成された下部電極と、前記コンタクト層の上面に形成された上部電極と、を有し、前記活性層の幅方向中心面の両側の各々において前記コンタクト層から前記上部クラッド層が積層された方向へ前記活性層の下面よりも深い位置まで形成されかつ該積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造が形成されるように格子状に配列された複数の空孔を有する空孔形成領域と、該空孔形成領域の間に位置し幅方向の中心面が前記活性層の幅方向の中心面と一致する線欠陥導波路領域とが形成されていることを特徴とする。

また、この発明に係るフォトニック結晶光半導体デバイスは、上記発明において、前記線欠陥導波路領域を挟んで隣接する前記空孔間の距離をｔ、前記活性層の幅をｄとする場合に、
ｄ／ｔ≧１．７
なる関係が成立していることを特徴とする。

また、この発明に係るフォトニック結晶光半導体デバイスは、上記発明において、前記積層方向で平均した前記活性層の平均屈折率が、前記積層方向で平均した前記活性層の周囲の平均屈折率よりも大きいことを特徴とする。

また、この発明に係るフォトニック結晶光半導体デバイスは、上記発明において、少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されていることを特徴とする。

また、この発明に係るフォトニック結晶光半導体デバイスは、上記発明において、少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層を伝搬する光の波長において透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする。

本発明に係るフォトニック結晶光半導体デバイスによれば、線欠陥導波路への電流注入効率が高いフォトニック結晶光半導体デバイスが実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係るフォトニック結晶光半導体デバイスの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子を模式的に表した斜視図である。また、図２は、図１のフォトニック結晶半導体レーザ素子をＸ−Ｘ´線で切断した場合の断面図である。図１および図２に示すように、本実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００は、半導体基板であるｎ−ＩｎＰ基板１０１と、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に積層された下部クラッド層であるｎ−ＩｎＰバッファ層１０２と、ｎ−ＩｎＰバッファ層１０２上に積層されたメサストライプ状のＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の両側にＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３を埋め込むように積層されたｐ−ＩｎＰ層１０４ａおよびｎ−ＩｎＰ層１０４ｂからなる電流ブロック層１０４と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３上に積層されたストライプ状のｐ−ＩｎＰクラッド部１０５と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３と電流ブロック層１０４との上部に積層された上部クラッド層であるｐ−ＩｎＰクラッド層１０６と、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６上に積層されたコンタクト層であるｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７と、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の下面に形成された下部電極であるＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極１０８と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７の上面に形成された上部電極であるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極１０９とを有する。

そして、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７からｐ−ＩｎＰクラッド層１０６が積層された方向へＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の下面よりも深い位置まで形成されかつ該積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造（フォトニック結晶）が形成されるように三角格子状に配列された複数の円筒状の空孔１１０を有する空孔形成領域１１１と、空孔形成領域１１１の間に位置し幅方向の中心面がＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の幅方向の中心面と一致する線欠陥導波路領域１１２とが形成されている。

また、空孔の直径１１０ａは２４０ｎｍ、フォトニック結晶の三角格子の格子定数１１０ｂは３８０ｎｍである。直径１１０aや格子定数１１０ｂの値は発光させる波長帯により異なるものとし、例えば格子定数１１０ｂは３００〜５００ｎｍとする。また、線欠陥導波路領域１１２を挟んで隣接する空孔間の距離１１３をｔとし、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の幅１１４をｄとすると、ｔは６５８ｎｍであり、ｄは１．２μｍである。したがって、ｄ／ｔは約１．８であり、ｄ／ｔ≧１．７なる関係が成立している。なお、空孔間の距離とは、空孔が円筒状である場合は、各空孔の中心軸の間の距離を意味する。

ｎ側電極１０８とｐ側電極１０９との間に電圧を印加し、電流を注入すると、ｎ側電極側にｐ−ＩｎＰ層１０４ａが積層され、ｐ側電極側にｎ−ＩｎＰ層１０４ｂが積層された電流ブロック層１０４には電流が流れず、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３にのみ電流が流れる。すなわち、本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００は電流狭窄構造を有するので、線欠陥導波路への電流注入効率が高いものとなる。そして、フォトニック結晶半導体レーザ素子１００は注入電流を増加していくとレーザ発振するが、線欠陥導波路への電流注入効率が高いので、レーザ発振のしきい値電流が低いものとなる。

さらに、本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００においては、前記のようにｄ／ｔ≧１．７なる関係が成立している。その結果、線欠陥導波路領域１１２は複数の空孔１１０からなる２次元的な屈折率の周期構造により低損失なフォトニック結晶線欠陥導波路として働く。ただし、ｄが大きすぎると、電流狭窄構造の効果が低減し、電流注入効率が低下するので、ｄ／ｔは３より小さいことが好ましい。

また、前記積層方向で平均したＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の平均屈折率が、前記積層方向で平均したＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の周囲の平均屈折率よりも大きい。ここで、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の周囲とは、上部に存在するｐ−ＩｎＰクラッド部１０５とｐ−ＩｎＰクラッド層１０６並びにｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７、側部に存在する電流ブロック層１０４、下部に存在するｎ−ＩｎＰバッファ層１０２である。したがって、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３で発生した光は周囲に漏洩せずに、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３に閉じ込められる。

次に、本実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。まず、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）結晶成長装置を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上にｎ−ＩｎＰバッファ層１０２、厚さ５００ｎｍでフォトルミネッセンス波長が１５５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層、厚さ２００ｎｍのｐ−ＩｎＰクラッド層を順次成長させる。ＩｎＧａＡｓＰ活性層は多重量子井戸構造としてもよい。

その後、プラズマＣＶＤ装置によりＳｉＮ膜をｐ−ＩｎＰクラッド層の全面に成膜する。次に、フォトリソグラフィとＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりＳｉＮ膜を幅２μｍのストライプ状に加工する。次に、ドライエッチングとウェットエッチングによりＩｎＧａＡｓＰ活性層とｐ−ＩｎＰクラッド層とを幅１．２μｍのストライプ状に成形し、さらにＩｎＧａＡｓＰ活性層はさらに高さ１μｍ程度のメサ状に成形し、ストライプ状のｐ−ＩｎＰクラッド部１０５と、メサストライプ状のＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３を形成する。

次に、ＳｉＮ膜を選択成長マスクとして、膜厚５００ｎｍのｐ−ＩｎＰ層１０４ａ、膜厚５００ｎｍのｎ−ＩｎＰ層１０４ｂを順次埋め込み成長させ、電流ブロック層１０４を形成する。その後、ＳｉＮ膜を除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７を順次成長させる。

次に、電子線ビーム描画装置により、２次元的な屈折率の周期構造が形成されるように三角格子状に配列された複数の円状のパターンを、配列されたパターンのうち一列を除いてｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７に転写する。その後、この転写したパターンをエッチングマスクとして、塩素ガスを用いたＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチング装置により、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７からｐ−ＩｎＰクラッド層１０６が積層された方向へＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の下面よりも深い位置まで、つまりｎ−ＩｎＰバッファ層１０２に到るまで、深さにして３μｍ程度エッチングし、円筒状の複数の空孔１１０を周期的に形成して空孔形成領域１１１を形成する。

その際、パターンの転写を行わなかった一列については空孔が形成されない。したがって、空孔形成領域１１１の間には、周期構造の中に導入された線欠陥である線欠陥導波路領域１１２が形成される。この線欠陥導波路領域１１２は、幅方向の中心面がメサストライプ状のＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の幅方向の中心面と一致するように形成される。なお、格子定数１１０aや直径１１０ｂの値は発光させる波長帯により異なるものとし、例えば格子定数１１０aは３００〜５００ｎｍとできる。

次に、上記のように作製した基板全体を１２０μｍ程度の厚さになるように研磨した後、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極１０８をｎ−ＩｎＰ基板１０１の下面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極１０９をｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０７の上面に、それぞれ形成する。最後に、基板を適当な大きさに切断してチップ化することでフォトニック結晶半導体レーザ１００素子が完成する。

本実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００における本発明の効果について確認するために、隣接する空孔間の距離１１３の値ｔとＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３の幅１１４の値ｄについて種々変更し、ｄ／ｔに対する線欠陥導波路内の光強度の損失（導波路損失）を計算機シミュレーションにより解析した。なお、ここでは線欠陥導波路の導波路損失として単位時間当たりの導波路内の光強度の減衰定数である−ｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）／ｔを示す。なお、ｔは時間、Ｉ₀は時間ｔ＝０における光強度、Ｉは時間ｔにおける光強度である。

図３は、ｄ／ｔに対する導波路損失を示すグラフである。なお、図中の点線は、図６に示すような活性層を埋め込み構造としない従来のフォトニック結晶半導体レーザ素子１００´における導波路損失の値を示す。図３が示すように、導波路損失はｄ／ｔが増加するにつれて減少し、ｄ／ｔが１．７以上の領域では導波路損失はほぼ一定であり、活性層を埋め込み構造としない場合の導波路損失と同等の値まで低下した。本実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００はｄ／ｔが約１．８であるから、図３に示す結果から線欠陥導波路領域１１２が低損失なフォトニック結晶線欠陥導波路として働くことが確認できる。

また、本実施の形態１に係るｄ／ｔ＝１．８のフォトニック結晶半導体レーザ素子１００と、フォトニック結晶半導体レーザ素子１００と同様の構造を有しｄ／ｔ＝０．７としたフォトニック結晶半導体レーザ素子のレーザ発振のしきい値電流を計算機シミュレーションにより解析した。また、比較のため、図６に示すような活性層を埋め込み構造としない従来のフォトニック結晶半導体レーザ素子１００´のレーザ発振のしきい値電流も計算機シミュレーションにより解析した。

その結果、従来のフォトニック結晶半導体レーザ素子１００´のレーザ発振のしきい値電流は１００ｍＡより大きかったのに対して、ｄ／ｔ＝０．７のフォトニック結晶半導体レーザ素子のレーザ発振のしきい値電流は約１００ｍＡに低下した。さらに、本実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００のしきい値電流は３０ｍＡ以下であり、さらに大幅に低下した。

さらに、ｄ／ｔ＝１．５の場合について、線欠陥導波路の分散関係をＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ：時間領域有限差分法）により解析した。図４は、線欠陥導波路の分散関係を示すグラフであり、横軸は規格化波数を２π／ａで割ったものであり、縦軸は規格化周波数をｃ／ａで割ったものである。なお、ａはフォトニック結晶の格子定数、ｃは光速である。図４に示すように、フォトニックバンドギャップＧの間に、フォトニック結晶による閉じ込めモードＡ、Ｂが存在することが確認された。ｄ／ｔ＝１．８である本実施の形態１に係るフォトニック結晶光半導体レーザ素子１００においても、同様の閉じ込めモードが存在すると考えられる。

以上説明したように、本実施の形態１に係るフォトニック結晶光半導体レーザ素子１００は、電流狭窄構造を有し、さらにｄ／ｔ≧１．７なる関係が成立しているので、電流狭窄により電流注入効率が高く、さらに、フォトニック結晶により光の閉じ込めが起こり、導波路損失が低い導波路が実現されている。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子は、実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子と同様の構成を有するが、活性層内における空孔の内表面が、活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されている点が異なる。

図５は、本発明の実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子を模式的に表した断面図である。本実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子２００は、フォトニック結晶半導体レーザ素子１００と同様に、ｎ−ＩｎＰ基板２０１と、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３と、ｐ−ＩｎＰ層２０４ａおよびｎ−ＩｎＰ層２０４ｂからなる電流ブロック層２０４と、ｐ−ＩｎＰクラッド部２０５と、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０６と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７と、ｎ側電極２０８と、ｐ側電極２０９とを有する。そして、複数の円筒状の空孔２１０を有する空孔形成領域２１１と、線欠陥導波路領域２１２とが形成されている。

そして、空孔２１０の内表面が、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体であるノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されている。ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップエネルギーは波長１５５０ｎｍで０．８ｅＶであるのに対して、ＩｎＰのバンドギャップエネルギーは１．３５ｅＶであり、５５０ｍｅＶ程度大きい。したがって、このノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されていることにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３内における空孔の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつノンドープのＩｎＰ層２１５は１５５０ｎｍの光を吸収しないので光吸収による損失が発生しない。したがって、レーザの発振しきい値の上昇が抑制される。

次に、本実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子２００の製造方法について説明する。まず、実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００の製造方法と同様の方法で、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上にｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層、ｐ−ＩｎＰクラッド部を順次成長させ、ストライプ状のｐ−ＩｎＰクラッド部２０５と、メサストライプ状のＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３を形成し、その後、電流ブロック層２０４を形成し、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７を順次成長させる。

さらに、実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００の製造方法と同様の方法で、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７からｐ−ＩｎＰクラッド層２０６が積層された方向へＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３の下面よりも深い位置まで、円筒状の複数の空孔２１０を周期的に形成して空孔形成領域２１１を形成し、空孔形成領域２１１の間には線欠陥導波路領域２１２を形成する。

次に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７の表面と空孔２１０の内表面とにノンドープのＩｎＰ層を２０ｎｍの厚さで形成する。その後、希塩酸によりｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７の表面に形成されたノンドープのＩｎＰ層を除去し、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７を露出させる。このとき、空孔２１０の内表面に形成されたノンドープのＩｎＰ層２１５は残存する。

次に、上記のように作製した基板全体を１２０μｍ程度の厚さになるように研磨した後、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極２０８をｎ−ＩｎＰ基板２０１の下面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極２０９をｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７の上面に、それぞれ形成する。最後に、基板を適当な大きさに切断してチップ化することでフォトニック結晶半導体レーザ２００素子が完成する。

本実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子２００は、空孔２１０の内表面がノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されていることにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３内における空孔２１０の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつノンドープのＩｎＰ層２１５による光吸収損失は発生しない。従って、レーザ発振のしきい値電流が実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００と比較してさらに低下することが期待できる。

なお、本実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子２００は、空孔２１０の内表面がノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されているが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するものであれば、他の化合物半導体、たとえばＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰなどからなる層で被覆してもよい。また、活性層の材料によっては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅなどを被覆に用いてもよい。

また、被覆に用いる化合物半導体は、活性層の材料と結晶の格子定数が近いものであることが好ましいが、その厚さが薄いことから、格子定数にある程度差があってもよい。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態３に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子は、実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子と同様の構成を有するが、活性層内における空孔の内表面が、活性層を伝搬する光の波長において透明である誘電体によって被覆されている点が異なる。

すなわち、本実施の形態３に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子は、実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子と同様の構造を有するが、複数の空孔の内表面が、ＩｎＧａＡｓＰ活性層を伝搬する光の波長である１５５０ｎｍにおいて透明であるＳｉＮ_x層によって被覆されている。したがって、このＳｉＮ_x層によって被覆されていることにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層内における空孔の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつＳｉＮ_x層は１５５０ｎｍの光を吸収しないので光の吸収による損失が発生しない。したがって、レーザの発振しきい値の上昇が抑制される。

本実施の形態３に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子の製造方法については、実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００の製造方法と同様であるが、プラズマＣＶＤ法により、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層の表面と空孔の内表面とにＳｉＮ_x層を２０ｎｍの厚さで形成し、その後、ＣＦ₄ガスを用いたＲＩＥによりｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層の表面に形成されたＳｉＮ_x層を除去し、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０７を露出させる点が異なる。

本実施の形態３に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子は、空孔の内表面がＳｉＮ_x層によって被覆されていることにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層内における空孔の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつＳｉＮ_x層による光吸収損失は発生しない。従って、レーザ発振のしきい値電流が実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子１００と比較してさらに低下することが期待できる。

なお、本実施の形態３に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子は、空孔の内表面がＳｉＮ_x層によって被覆されているが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層を伝搬する光の波長である１５５０ｎｍにおいて透明であれば、他の誘電体、たとえばＳｉＯ_x、ＡｌＮ_x、ＡｌＯ_x、ＴｉＯ_xなどによって被覆されていてもよい。これらの誘電体膜の形成には、プラズマＣＶＤ法などの方法が使用可能であるが、たとえば、活性層の材料がＡｌＧａＡｓで構成されている場合には、酸化により空孔の内表面にＡｌＯ_x層を形成してもよい。

また、活性層内における空孔の内表面を被覆する層の厚さは、半導体の場合は５〜２０ｎｍ、誘電体の場合は５〜５０ｎｍの範囲であれば、本発明の効果が得られ、かつフォトニック結晶の機能が良好に保たれる。なお、誘電体の場合は、屈折率が半導体に比べて十分に低いため、誘電体を上記の範囲よりもさらに厚くして、空孔が誘電体によって完全にふさがれる構造としても、フォトニック結晶の機能は維持できる。

また、被覆する層は、単一の層からなるのもの限られず、二以上の層からなるものとしてもよい。また、この二以上の層が、半導体と誘電体とを組み合わせたものであってもよい。たとえば、空孔の内表面において、活性層の部分と被覆する誘電体との間にＳｉなどの層を介在させるものとすると、誘電体から活性層への酸素の拡散が防止される。

本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子を模式的に表した斜視図である。 図１のフォトニック結晶半導体レーザ素子をＸ−Ｘ´線で切断した場合の断面図である。 ｄ／ｔに対する導波路損失を示すグラフである。 ｄ／ｔ＝１．５の場合のフォトニック結晶半導体レーザの線欠陥導波路の分散関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子を模式的に表した断面図である。 従来のフォトニック結晶半導体レーザ素子を模式的に表した斜視図である。

符号の説明

１００、２００ フォトニック結晶半導体レーザ素子
１０１、２０１ ｎ−ＩｎＰ基板
１０２、２０２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１０３、２０３ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
１０４、２０４ 電流ブロック層
１０４ａ、２０４ａ ｐ−ＩｎＰ層
１０４ｂ、２０４ｂ ｎ−ＩｎＰ層
１０５、２０５ ｐ−ＩｎＰクラッド部
１０６、２０６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１０７、２０７ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
１０８、２０８ ｎ側電極
１０９、２０９ ｐ側電極
１１０、２１０ 空孔
１１０ａ 空孔の直径
１１０ｂ 格子定数
１１１、２１１ 空孔形成領域
１１２、２１２ 線欠陥導波路領域
１１３、２１３ 空孔間の距離
１１４、２１４ 活性層の幅
２１５ ノンドープのＩｎＰ層

Claims (3)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に積層された下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に積層されたメサストライプ状の活性層と、
   前記活性層の両側に該活性層を埋め込むように積層された電流ブロック層と、
   前記活性層と前記電流ブロック層との上部に積層された上部クラッド層と、
   前記上部クラッド層上に積層されたコンタクト層と、
   前記半導体層の下面に形成された下部電極と、
   前記コンタクト層の上面に形成された上部電極と、
   を有し、
   前記活性層の幅方向中心面の両側の各々において前記コンタクト層から前記上部クラッド層が積層された方向へ前記活性層の下面よりも深い位置まで形成されかつ該積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造が形成されるように格子状に配列された複数の空孔を有する空孔形成領域と、該空孔形成領域の間に位置し幅方向の中心面が前記活性層の幅方向の中心面と一致する線欠陥導波路領域とが形成され、
   前記電流ブロック層の屈折率は前記活性層の屈折率よりも低く、幅方向で屈折率導波路を形成し、
   前記線欠陥導波路領域の幅は前記活性層の幅よりも狭く、前記線欠陥導波路領域を挟んで隣接する前記空孔間の距離をｔ、前記活性層の幅をｄとする場合に、前記線欠陥導波路領域では、フォトニックバンドギャップ内で光を閉じ込めるモードが少なくとも１つ存在する条件下で、
   ３．０＞ｄ／ｔ≧１．７
   なる関係が成立していることを特徴とするフォトニック結晶光半導体デバイス。
2. 少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶光半導体デバイス。
3. 少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層を伝搬する光の波長において透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶光半導体デバイス。

Images