JP2006261316A - Photonic crystal laser, its manufacturing method and optical transmission system - Google Patents

Photonic crystal laser, its manufacturing method and optical transmission system Download PDF

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JP2006261316A JP2005075262A JP2005075262A JP2006261316A JP 2006261316 A JP2006261316 A JP 2006261316A JP 2005075262 A JP2005075262 A JP 2005075262A JP 2005075262 A JP2005075262 A JP 2005075262A JP 2006261316 A JP2006261316 A JP 2006261316A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photonic crystal laser with which absorption of vertical radiation light at an upper electrode is reduced, oscillation is realized with low threshold current, and power use efficiency can be improved. <P>SOLUTION: The photonic crystal layer has a lower cladding layer, a light emitting layer, an upper cladding layer, and an upper electrode all arranged on a substrate. A two-dimensional photonic crystal structure constituted of a high refractive index region formed of a high refractive index material, and a low refractive index hole having a refractive index smaller than the high refractive index region is installed in one layer between the lower cladding layer and the upper cladding layer, or an interface of the layer, and of a lower electrode connected to one layer between the substrate and the lower cladding layer. A lower semiconductor distribution multilayer film reflection mirror is disposed between the substrate and the lower cladding layer, and an upper semiconductor distribution multilayer film reflection mirror is disposed between the upper cladding layer and the upper electrode. A low reflectance structure with small reflectance is arranged in a region where the upper electrode is not installed or an opening part of the upper electrode installed for optical output. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、フォトニック結晶レーザおよびその製造方法および光伝送システムに関する。   The present invention relates to a photonic crystal laser, a manufacturing method thereof, and an optical transmission system.

近年盛んに研究開発が行われてきている２次元フォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶に光を閉じ込めレーザ発振させる発光素子で、微小化が可能なことと、高密度アレイ化が容易なことから、チップ間、チップ内、ボード間、ボード内、ＬＡＮ内の光伝送用光源のほか、極微小光回路、光集積回路、光電融合集積回路の光源としての応用が期待されている。   The two-dimensional photonic crystal laser, which has been actively researched and developed in recent years, is a light-emitting element that confines light in a photonic crystal and oscillates the laser, because it can be miniaturized and it is easy to form a high-density array. In addition to light sources for optical transmission between chips, between chips, between boards, within boards, and within LANs, applications as light sources for ultra-small optical circuits, optical integrated circuits, and optoelectronic integrated circuits are expected.

広い応用が望めることから、基板と垂直方向に光を出力させる面発光型のものが多く検討されている。   Since a wide range of applications can be expected, many surface-emitting types that output light in a direction perpendicular to the substrate have been studied.

この面発光素子の１つとして、特許文献１，特許文献２に示されているように、広い面積に電流を注入し、広い領域の活性層で発生した光を、近接するフォトニック結晶で回折，帰還，増幅し、レーザ発振させる回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザが知られている。なお、この種の回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザは、当初、ＩｎＰ基板上に作製したＩｎＧａＡｓＰ活性層を持つ素子で発振が確認され、次に、ＧａＡｓ基板上に作製したＩｎＧａＡｓ活性層を持つ素子でも発振が実現されている。
特開２０００−３３２３５１号公報 特開２００３−２７３４５３号公報 As one of the surface light emitting elements, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, current is injected into a wide area, and light generated in a wide active layer is diffracted by a nearby photonic crystal. , Diffractive two-dimensional photonic crystal surface emitting lasers that perform feedback, amplification, and laser oscillation are known. Note that this type of diffractive two-dimensional photonic crystal surface emitting laser was first confirmed to oscillate in an element having an InGaAsP active layer fabricated on an InP substrate, and then an InGaAs active layer fabricated on a GaAs substrate was used. Oscillation is realized even with the element that has it.
JP 2000-332351 A JP 2003-273453 A

しかしながら、上述した従来の回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上部電極が平面状に広がり、発振光は上部電極の端（電極端）から出力される。このため電極の直下のフォトニック結晶から垂直方向に放射される光の多くは金属からなる電極材料に吸収されるため、発振させるための閾値が高くなり、また、電力の利用効率も低くなるという問題があった。   However, in the conventional diffractive two-dimensional photonic crystal surface emitting laser described above, the upper electrode spreads in a planar shape, and oscillation light is output from the end (electrode end) of the upper electrode. For this reason, most of the light radiated in the vertical direction from the photonic crystal directly under the electrode is absorbed by the electrode material made of metal, so that the threshold for oscillation is increased and the power use efficiency is also reduced. There was a problem.

本発明は、垂直放射光の上部電極での吸収を少なくし、低い閾値電流で発振させることができ、電力利用効率も高めることの可能なフォトニック結晶レーザおよびその製造方法および光伝送システムを提供することを目的としている。   The present invention provides a photonic crystal laser that can reduce the absorption of vertical radiation light at the upper electrode, can oscillate with a low threshold current, and can improve the power utilization efficiency, a manufacturing method thereof, and an optical transmission system. The purpose is to do.

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is provided with a lower clad layer, a light emitting layer, an upper clad layer, and an upper electrode in order on a substrate, and comprising: a lower clad layer and an upper clad layer; A two-dimensional photonic crystal structure comprising a high refractive index region made of a high refractive index material and a low refractive index hole having a refractive index smaller than that of the high refractive index region in any layer between them or at the interface between the layers A photonic crystal laser comprising a lower electrode connected to any layer between the substrate and the lower cladding layer, comprising a lower semiconductor distributed multilayer reflector between the substrate and the lower cladding layer, An upper semiconductor distributed multilayer mirror is provided between the cladding layer and the upper electrode, and has a low reflectivity in a region where the upper electrode is not provided or in an opening of the upper electrode provided for optical output. With reflectivity structure It is characterized in that.

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the first aspect, the light emitting layer includes a lower guide layer, an active layer, and an upper guide layer, and has a low two-dimensional photonic crystal structure. The refractive index hole is provided in either the lower guide layer or the upper guide layer.

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the first or second aspect, the layer constituting the two-dimensional photonic crystal structure or the layer constituting the two-dimensional photonic crystal structure Adjacent to the high resistance region and the conductive region, a current path limiting layer that limits a current path to the light emitting layer is provided, and a cross-sectional shape parallel to the film surface of the high resistance region is a film having a low refractive index hole. It is arranged to include a cross-sectional shape parallel to the surface.

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層は、下部ガイド層と下部クラッド層との界面、又は、上部ガイド層と上部クラッド層との界面に設けられていることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the third aspect, the current path limiting layer is an interface between the lower guide layer and the lower cladding layer, or between the upper guide layer and the upper cladding layer. It is characterized by being provided at the interface.

また、請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the photonic crystal laser according to the third or fourth aspect, wherein the conductive region of the current path limiting layer is Al x Ga 1-x As (0.95 <x ≦ 1). ) Layer, and the high resistance region of the current path limiting layer is formed by oxidizing the Al x Ga 1-x As layer.

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれていることを特徴としている。   The invention according to claim 6 is the photonic crystal laser according to any one of claims 1 to 5, wherein the active layer of the light emitting layer contains a GaInNAs-based material. It is said.

また、請求項７記載の発明は、第１の基板に、下部半導体ＤＢＲ、発光層を順次形成する第１の工程と、第２の基板に、上部ＤＢＲ半導体を形成する第２の工程と、第１の基板上の第１の表面、または、第２の基板上の第２の表面に、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程と、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程の後に、第１の基板上の第１の表面と第２の基板上の第２の表面とを接合する第４の工程とを含むことを特徴とするフォトニック結晶レーザの製造方法である。   According to a seventh aspect of the invention, a first step of sequentially forming a lower semiconductor DBR and a light emitting layer on a first substrate, a second step of forming an upper DBR semiconductor on a second substrate, A third step of forming a two-dimensional photonic crystal structure on a first surface on a first substrate or a second surface on a second substrate, and a second step of forming a two-dimensional photonic crystal structure And a fourth step of bonding the first surface on the first substrate and the second surface on the second substrate after the step (3). It is.

また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システムである。   The invention according to claim 8 is an optical transmission system comprising the photonic crystal laser according to any one of claims 1 to 6 as a light emitting device.

請求項１乃至請求項６記載の発明によれば、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えており、上部半導体分布多層膜反射鏡（上部半導体ＤＢＲ）と下部半導体分布多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ）が設けられていることによって、上下電極での吸収を少なくし、発光部に光を戻すことができ、さらに、発振光（放射光）は、低反射率構造から出力され、この際、上部電極での吸収が少ない構造となっているので、低い閾値電流で発振させることができ、電力利用効率も高めることができる。   According to the first to sixth aspects of the invention, the lower clad layer, the light emitting layer, the upper clad layer, and the upper electrode are sequentially provided on the substrate, and between the lower clad layer and the upper clad layer. A two-dimensional photonic crystal structure comprising a high refractive index region made of a high refractive index material and a low refractive index hole having a refractive index smaller than that of the high refractive index region is provided in any layer or at the interface between the layers. A photonic crystal laser comprising a lower electrode connected to any layer between the substrate and the lower cladding layer, comprising a lower semiconductor distributed multilayer reflector between the substrate and the lower cladding layer, and an upper cladding layer Low reflectance with low reflectivity in the area where the upper electrode is not provided, or in the opening of the upper electrode provided for light output. It has a structure By providing the upper semiconductor distributed multilayer reflector (upper semiconductor DBR) and the lower semiconductor distributed multilayer reflector (lower semiconductor DBR), absorption at the upper and lower electrodes is reduced and light is returned to the light emitting section. Furthermore, the oscillation light (radiated light) is output from the low reflectance structure, and at this time, the structure is less absorbed by the upper electrode, so that it can be oscillated with a low threshold current, and the power utilization efficiency Can also be increased.

特に、請求項２記載の発明では、請求項１記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられており、積層膜構成がＳＣＨ構造をとるので、キャリアと光の閉じ込めが良好になる。さらに、光の強度が高いガイド層の中に低屈折率孔を設けているので、フォトニック結晶構造による光の閉じ込めの効果がより高まる。これによって、より低い閾値電流で発振し、電力利用効率がより高いフォトニック結晶レーザが得られる。   Particularly, in the invention according to claim 2, in the photonic crystal laser according to claim 1, the light emitting layer includes a lower guide layer, an active layer, and an upper guide layer, and has a low two-dimensional photonic crystal structure. The refractive index hole is provided in either the lower guide layer or the upper guide layer, and the laminated film configuration has an SCH structure, so that the confinement of carriers and light is improved. Furthermore, since the low refractive index hole is provided in the guide layer having high light intensity, the effect of confining light by the photonic crystal structure is further enhanced. As a result, a photonic crystal laser that oscillates at a lower threshold current and has higher power utilization efficiency can be obtained.

また、請求項３乃至請求項５記載の発明では、請求項１または請求項２記載のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されており、２次元フォトニック結晶構造の周辺に電流経路制限層を設けているので、電極から注入されたキャリアの大部分は低屈折率孔から離れた場所を通る。このため、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合は少なくなる。よって、より一層閾値電流が低くなり、電力の利用効率もより一層高くすることができる。   In the inventions according to claims 3 to 5, in the photonic crystal laser according to claim 1 or 2, the two-dimensional photonic crystal structure is formed as a layer constituting the two-dimensional photonic crystal structure. Adjacent to the constituent layers, it is equipped with a current path limiting layer that limits the current path to the light emitting layer, consisting of a high resistance region and a conductive region, and the cross-sectional shape parallel to the film surface of the high resistance region is low refraction. Since it is arranged so as to include a cross-sectional shape parallel to the film surface of the pores and a current path limiting layer is provided around the two-dimensional photonic crystal structure, most of the carriers injected from the electrode have low refraction. Passes away from the rate hole. For this reason, non-radiative recombination of carriers on the side wall of the low refractive index hole is reduced. Therefore, the threshold current is further reduced, and the power utilization efficiency can be further increased.

すなわち、フォニック結晶レーザは、活性層近傍にエッチング等で加工された屈折率の周期構造を有するため、屈折率の周期構造の界面で格子構造が不連続となり多数の局在準位が存在し、これらの界面準位によってキャリアの再結合が大幅に増速される。このため、一般に、フォトニック結晶レーザでは、フォトニック結晶構造でのリーク電流が大きくなり、さらに発振しにくく、電力利用効率もさらに低くなる。これに対し、請求項３の発明では、２次元フォトニック結晶構造の周辺に電流経路制限層を設けているので、上述したように、フォトニック結晶構造でのキャリアの界面再結合を低減させることができる。   That is, the phonic crystal laser has a refractive index periodic structure processed by etching or the like in the vicinity of the active layer, so that the lattice structure becomes discontinuous at the interface of the refractive index periodic structure, and there are many localized levels. These interface states greatly accelerate carrier recombination. For this reason, in general, in a photonic crystal laser, a leakage current in the photonic crystal structure is increased, oscillation is less likely, and power utilization efficiency is further reduced. On the other hand, in the invention of claim 3, since the current path limiting layer is provided around the two-dimensional photonic crystal structure, the interface recombination of carriers in the photonic crystal structure can be reduced as described above. Can do.

特に、請求項４記載の発明では、２次元フォトニック結晶構造をガイド層に設け、電流経路制限層をガイド層とクラッド層の界面に設けているので、電流経路制限層から活性層までの距離が短くなり、大部分のキャリアは低屈折率孔の側壁に達しないで活性層に達するようになる。従って、さらに閾値が低くなり、電力の利用効率もさらに高くすることができる。   In particular, in the invention described in claim 4, since the two-dimensional photonic crystal structure is provided in the guide layer and the current path limiting layer is provided at the interface between the guide layer and the cladding layer, the distance from the current path limiting layer to the active layer And most of the carriers reach the active layer without reaching the side walls of the low refractive index holes. Therefore, the threshold value is further lowered, and the power utilization efficiency can be further increased.

また、請求項５記載の発明では、請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっており、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層を電流経路制限層を形成する出発層として用いる構成となっているので、電流経路制限層を簡便に高精度に形成できる。このため、上部電極から注入されキャリアの大部分は確実に低屈折率孔から離れた箇所を通る。よって、リーク電流がより小さくなるため、より高い電力利用効率で、より小さい閾値で発振するフォトニック結晶レーザが簡便な工程で作製できる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the third or fourth aspect, the conductive region of the current path limiting layer is Al x Ga 1-x As (0.95 <x ≦ 1). And the high resistance region of the current path limiting layer is a region obtained by oxidizing the Al x Ga 1-x As layer, and the Al (Ga) As layer is used as a starting layer for forming the current path limiting layer. Because of the configuration, the current path limiting layer can be formed easily and with high accuracy. For this reason, most of the carriers injected from the upper electrode surely pass through a place away from the low refractive index hole. Accordingly, since the leakage current becomes smaller, a photonic crystal laser that oscillates at a lower threshold with higher power utilization efficiency can be manufactured in a simple process.

また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれているので、高効率で低閾値のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを提供することができる。よって、高性能で光伝送に適用性の高い垂直に出力するレーザ光源が得られる。   According to a sixth aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to any one of the first to fifth aspects, the active layer of the light emitting layer includes a GaInNAs-based material. It is possible to provide a GaInNAs photonic crystal laser with high efficiency and low threshold. Therefore, a laser light source that outputs vertically with high performance and high applicability to optical transmission can be obtained.

また、請求項７記載の発明によれば、第１の基板に、下部半導体ＤＢＲ、発光層を順次形成する第１の工程と、第２の基板に、上部ＤＢＲ半導体を形成する第２の工程と、第１の基板上の第１の表面、または、第２の基板上の第２の表面に、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程と、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程の後に、第１の基板上の第１の表面と第２の基板上の第２の表面とを接合する第４の工程とを含み、ウェハ融着法を用いる製造方法なので、フォトニック結晶上に半導体膜を再成長させる必要がなくなり、分布多層膜反射鏡（ＤＢＲ）を含む全ての半導体膜をエピタキシャル成長膜とすることができる。また、フォトニック結晶構造の低屈折率孔の内部に充填物がないので、発振光の閉じ込めが強まる。以上より、より低閾値電流で電力利用効率も高いフォトニック結晶レーザが得られる。   According to the seventh aspect of the present invention, the first step of sequentially forming the lower semiconductor DBR and the light emitting layer on the first substrate, and the second step of forming the upper DBR semiconductor on the second substrate. And a third step of forming a two-dimensional photonic crystal structure on the first surface on the first substrate or the second surface on the second substrate, and forming the two-dimensional photonic crystal structure And a fourth step of bonding the first surface on the first substrate and the second surface on the second substrate after the third step, and is a manufacturing method using the wafer fusion method. Therefore, it is not necessary to re-grow a semiconductor film on the photonic crystal, and all semiconductor films including the distributed multilayer reflector (DBR) can be used as an epitaxial growth film. In addition, since there is no filler inside the low refractive index hole of the photonic crystal structure, confinement of oscillation light is strengthened. As described above, a photonic crystal laser with a lower threshold current and higher power utilization efficiency can be obtained.

また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システムであるので、より高性能なデータ伝送システムを得ることができる。
According to the invention described in claim 8, since it is an optical transmission system comprising the photonic crystal laser according to any one of claims 1 to 6 as a light emitting device, A higher performance data transmission system can be obtained.

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えていることを特徴としている。 (First form)
According to a first aspect of the present invention, a lower clad layer, a light emitting layer, an upper clad layer, and an upper electrode are sequentially provided on a substrate, in any layer between the lower clad layer and the upper clad layer. Alternatively, a two-dimensional photonic crystal structure comprising a high refractive index region made of a high refractive index material and a low refractive index hole having a refractive index smaller than that of the high refractive index region is provided at the interface of the layer, and the substrate and the lower cladding In a photonic crystal laser including a lower electrode connected to any one of the layers, a lower semiconductor distributed multilayer reflector is provided between the substrate and the lower cladding layer, and the upper cladding layer and the upper electrode An upper semiconductor distributed multilayer film reflector is provided between them, and a low reflectance structure with a low reflectance is provided in a region where the upper electrode is not provided or in an opening of the upper electrode provided for light output. It is characterized by .

本発明の第１の形態では、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えており、上部半導体分布多層膜反射鏡（上部半導体ＤＢＲ）と下部半導体分布多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ）が設けられていることによって、上下電極での吸収を少なくし、発光部に光を戻すことができ、さらに、発振光（放射光）は、低反射率構造から出力され、この際、上部電極での吸収が少ない構造となっているので、低い閾値電流で発振させることができ、電力利用効率も高めることができる。   In the first embodiment of the present invention, a lower clad layer, a light emitting layer, an upper clad layer, and an upper electrode are sequentially provided on a substrate, and in any layer between the lower clad layer and the upper clad layer. Alternatively, a two-dimensional photonic crystal structure comprising a high refractive index region made of a high refractive index material and a low refractive index hole having a refractive index smaller than that of the high refractive index region is provided at the interface of the layer, and the substrate and the lower cladding In a photonic crystal laser including a lower electrode connected to any one of the layers, a lower semiconductor distributed multilayer reflector is provided between the substrate and the lower cladding layer, and the upper cladding layer and the upper electrode An upper semiconductor distributed multilayer reflector is provided in between, and a low reflectivity structure with a low reflectivity is provided in the area where the upper electrode is not provided or in the opening of the upper electrode provided for light output. , Upper semiconductor distribution By providing the layer film reflector (upper semiconductor DBR) and the lower semiconductor distributed multilayer film reflector (lower semiconductor DBR), absorption at the upper and lower electrodes can be reduced, and light can be returned to the light emitting part. Oscillating light (radiated light) is output from the low reflectivity structure, and at this time, it has a structure with little absorption at the upper electrode, so that it can be oscillated with a low threshold current, and the power utilization efficiency is also improved. Can do.

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられていることを特徴としている。 (Second form)
According to a second aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the first aspect, the light emitting layer includes a lower guide layer, an active layer, and an upper guide layer, and has a low refractive index having a two-dimensional photonic crystal structure. The rate hole is provided in either the lower guide layer or the upper guide layer.

図１は、本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザの第１の構成例を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a first configuration example of a photonic crystal laser according to first and second embodiments of the present invention.

図１のフォトニック結晶レーザは、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮＡｓ，Ｓｉ，Ｇｅなどの半導体基板上に、直接に又は中間層を介して、下部半導体分布多層膜反射鏡（ＤＢＲ）、下部クラッド層、発光層、上部クラッド層からなる半導体積層膜が順次積層されている。   The photonic crystal laser shown in FIG. 1 is formed on a semiconductor substrate such as GaAs, InP, GaP, GaNAs, Si, or Ge, directly or via an intermediate layer, a lower semiconductor distributed multilayer mirror (DBR), a lower cladding layer. A semiconductor multilayer film including a light emitting layer and an upper clad layer is sequentially laminated.

ここで、発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、キャリア閉じ込め領域と光の閉じ込め領域とを別にするＳＣＨ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）をとることが望ましい。   Here, the light emitting layer is preferably composed of a lower guide layer, an active layer, and an upper guide layer, and has an SCH structure (Separate Confinement Heterostructure) that separates a carrier confinement region and a light confinement region.

つまり、クラッド層は光をガイド層に閉じ込め、正，負のキャリアを活性層まで輸送する働きをする。また、活性層は、キャリアを閉じ込め、再結合により発光させ、さらには光を増幅させる働きをする。   That is, the cladding layer functions to confine light in the guide layer and transport positive and negative carriers to the active layer. The active layer functions to confine carriers, emit light by recombination, and further amplify the light.

各層の屈折率とバンドギャップの関係は、次のようになる。すなわち、
クラッド層の屈折率＜ガイド層の屈折率、
クラッド層のバンドギャップ＞ガイド層のバンドギャップ＞活性層のバンドギャップ The relationship between the refractive index of each layer and the band gap is as follows. That is,
The refractive index of the cladding layer <the refractive index of the guide layer,
Cladding layer band gap> Guide layer band gap> Active layer band gap

また、活性層／クラッド層／基板の組み合わせの例としては、次のようなものが挙げられる。
ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ／ＧａＡｓ （ｘ＞ｙ） ［0.85μｍ帯］，
ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ［0.66μｍ帯］，
ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ［0.98μｍ帯］，
ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ［1.3μｍ帯，1.55μｍ帯］，
ＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ［0.65μｍ帯］，
ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ／ＩｎＰ［1.3μｍ帯，1.55μｍ帯］ Examples of the active layer / cladding layer / substrate combination include the following.
Al x Ga 1-x As / Al y Ga 1-y As / GaAs (x> y) [0.85μm band,
GaInP / AlGaInP / GaAs [0.66 μm band],
GaInAs / GaInP / GaAs [0.98 μm band],
GaInNAs / AlGaAs / GaAs [1.3 μm band, 1.55 μm band],
AlGaInP / AlGaInP / GaAs [0.65 μm band],
AlGaInP / GaInAsP / InP / InP [1.3 μm band, 1.55 μm band]

また、ガイド層は、前述の関係に従い、適宜に選択される。また、活性層は、閾値電流を小さくできるので、量子井戸構造をもつことが望ましい。   The guide layer is appropriately selected according to the above-described relationship. In addition, since the active layer can reduce the threshold current, it is desirable to have a quantum well structure.

クラッド層およびガイド層は、複数の層からなることもあり、この場合、活性層から離れた層の方が近い層よりも屈折率が同じか小さく、バンドギャップは同じか大きいことが望ましい。   The clad layer and the guide layer may be composed of a plurality of layers. In this case, it is desirable that the layers away from the active layer have the same or smaller refractive index than the closer layers and have the same or larger band gap.

また、半導体ＤＢＲは、半導体材料からなる高屈折率層と低屈折率層とのペアを積層した構成をとり、積層数が大きくなるほど高い反射率が得られる。各層の厚さは、
（１＋２Ｎ）λ／４ｎとなる。ここで、λは真空中での波長であり、ｎは構成層の屈折率であり、Ｎは０以上の整数である。 The semiconductor DBR has a configuration in which a pair of a high refractive index layer and a low refractive index layer made of a semiconductor material is stacked, and a higher reflectance is obtained as the number of stacked layers is increased. The thickness of each layer is
(1 + 2N) λ / 4n. Here, λ is the wavelength in vacuum, n is the refractive index of the constituent layer, and N is an integer of 0 or more.

また、基板と下部クラッド層との間に設けられる下部半導体ＤＢＲは、上部に積層するクラッド層と活性層が高い結晶品質を必要とするので、エピタキシャル成長膜からなることが望ましい。   The lower semiconductor DBR provided between the substrate and the lower cladding layer is preferably made of an epitaxially grown film because the upper cladding layer and active layer require high crystal quality.

半導体ＤＢＲの例として、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜があげられる。多くの場合、不純物をドープして導電性をもたせ素子駆動電流の経路の役割も持たせる。   Examples of the semiconductor DBR include multilayer films such as AlAs / GaAs, AlGaAs / GaAs, GaInP / GaAs, AlGaN / GaN, GaInAsP / InP, and AlGaInAs / InP. In many cases, impurities are doped to provide conductivity and to serve as a path for element driving current.

上記半導体積層膜の成長法としては、ＭＯＣＶＤ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＭＯＭＢＥ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）や、ＣＢＥ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。   As a growth method of the semiconductor laminated film, an MOCVD method (metallic chemical vapor deposition), a MOMBE method (metalorganic molecular epitaxy), or a CBE method (chemical beam epitaxy) can be used.

次に、上部クラッド層表面から多数の低屈折率孔を形成し２次元フォトニック結晶構造を作製する。   Next, a number of low refractive index holes are formed from the surface of the upper cladding layer to produce a two-dimensional photonic crystal structure.

フォトニック結晶構造は、ガイド層、又は、クラッド層で、水平方向に規則的な屈折率周期構造をもつように形成し、低屈折率孔を格子点とする三角格子，正方格子，六方格子などが挙げられるが、これらに限定されない。   The photonic crystal structure is a guide layer or cladding layer that has a regular refractive index periodic structure in the horizontal direction, and has a low refractive index hole as a lattice point, a triangular lattice, a square lattice, a hexagonal lattice, etc. However, it is not limited to these.

さらに、これらの格子は次のように設定される。
（１） 発振光の波長（λ／ｎ）と同じ長さのいくつかの屈折率周期構造をもつ。
これらの屈折率周期構造は回折格子を形成する。これらの屈折率周期構造は光路差が波長の２倍なので２次のブラッグ回折条件を満たしている。
（２） これらの屈折率周期構造は面内で互いに回転対称である。
（３） それぞれの屈折率周期構造で回折している光は互いに発振光の波長（λ／ｎ）の光路差で結合する。 Furthermore, these lattices are set as follows.
(1) It has several refractive index periodic structures having the same length as the wavelength (λ / n) of the oscillation light.
These refractive index periodic structures form a diffraction grating. These refractive index periodic structures satisfy the second-order Bragg diffraction condition because the optical path difference is twice the wavelength.
(2) These refractive index periodic structures are rotationally symmetric with each other in the plane.
(3) The lights diffracted by the respective refractive index periodic structures are coupled with each other by the optical path difference of the wavelength (λ / n) of the oscillation light.

図２，図３には、これらの条件を満たす三角格子と正方格子の例が示されている。   2 and 3 show examples of a triangular lattice and a square lattice that satisfy these conditions.

なお、低屈折率孔の底部は、上部クラッド層中に位置する場合もあるが、光の閉じ込めがより良好になるので、上部ガイド層中に位置することが望ましい。   Although the bottom of the low refractive index hole may be located in the upper cladding layer, it is desirable to be located in the upper guide layer because light confinement becomes better.

次に、フォトニック結晶部の作製方法について述べる。   Next, a method for producing a photonic crystal part will be described.

低屈折率孔の形成法は、ドライエッチング法又はウェットエッチング法をとり得るが、基板面方向の速度に対して垂直方向のエッチング速度が大きいので、ドライエッチングが好ましい。さらには、ドライエッチングの方式としては、よりエッチング異方性を大きくとれるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法などの高密度プラズマ源を用いる方式が好ましい。この孔の断面形状は、閉じた形状であればよく、円形，矩形，楕円形，多角形などがとれるが、その形状は限定されない。   The low refractive index hole can be formed by a dry etching method or a wet etching method, but dry etching is preferred because the etching rate in the direction perpendicular to the substrate surface direction is large. Furthermore, as a dry etching method, a method using a high-density plasma source such as an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method or an ECR (Electron Cyclotron Resonance) etching method which can increase etching anisotropy is preferable. The cross-sectional shape of the hole may be a closed shape, and may be a circle, rectangle, ellipse, polygon, or the like, but the shape is not limited.

また、低屈折率孔の内部は、空孔である場合の他に、上部クラッド層や上部ガイド層よりも低い屈折率材料で被覆又は充填される場合がある。被覆物又は充填物は、ポリイミドなどの有機高分子物質、ＳｉＯ２，ＳｉＯＮ，ＡｌｘＯｙなどの無機物質などからなる。 Further, the inside of the low refractive index hole may be covered or filled with a refractive index material lower than that of the upper cladding layer or the upper guide layer, in addition to the case of being a hole. The covering or filling is made of an organic polymer material such as polyimide, an inorganic material such as SiO 2 , SiON, or Al x O y .

次に、上部半導体ＤＢＲを設ける。上部半導体ＤＢＲの例としては、不純物をドープして導電性をもたせたＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜が挙げられる。これらは、素子駆動電流の経路の役割も持たせる。作製法としては、直接接合法，融着法，ＭＢＥ法，ＭＯＣＶＤ法，蒸着法やスパッタリング法等を用いることができる。   Next, an upper semiconductor DBR is provided. Examples of the upper semiconductor DBR include multi-layer films such as AlAs / GaAs, AlGaAs / GaAs, GaInP / GaAs, AlGaN / GaN, GaInAsP / InP, and AlGaInAs / InP doped with impurities. These also serve as a path for element drive current. As a manufacturing method, a direct bonding method, a fusion method, an MBE method, an MOCVD method, an evaporation method, a sputtering method, or the like can be used.

なお、下部半導体ＤＢＲと上部半導体ＤＢＲの層数，設置位置は、反射光が有効に発光層に戻るように調整される。実際的には、閾値と電力利用効率が高くなるように調整される。   The number of layers and the installation positions of the lower semiconductor DBR and the upper semiconductor DBR are adjusted so that the reflected light effectively returns to the light emitting layer. In practice, the threshold and the power usage efficiency are adjusted to be high.

次に、光出力を大きくするため、上部電極を設けない領域で、上部半導体ＤＢＲの層数が少ない構造や、上部半導体ＤＢＲを設けない構造や、Ｚｎなどを拡散させて上部半導体ＤＢＲを無秩序化する構造をとる低反射率構造を設ける。これらは、ドライエッチング，ウェットエッチング，熱拡散，イオンインプランテーションなどにより作製することができる。   Next, in order to increase the optical output, the upper semiconductor DBR is disordered by diffusing Zn or the like in a structure where the number of layers of the upper semiconductor DBR is small in a region where the upper electrode is not provided, or in which the upper semiconductor DBR is not provided. A low-reflectance structure that takes the structure to be provided is provided. These can be produced by dry etching, wet etching, thermal diffusion, ion implantation, or the like.

次に、Ａｕ，Ｔｉなどからなる上部電極を、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等により設ける。   Next, an upper electrode made of Au, Ti, or the like is provided by vapor deposition, sputtering, CVD, or the like.

最後に、下部クラッド層と基板との間のいずれかに接続されるＡｕ，Ｔｉ，ＩＴＯ，Ｃｎ２Ｏ，ＺｎＯなどからなる下部電極を設ける。これにより、図１の構成のフォトニック結晶レーザを作製することができる。 Finally, a lower electrode made of Au, Ti, ITO, Cn 2 O, ZnO or the like connected to any one of the lower clad layer and the substrate is provided. Thereby, the photonic crystal laser having the configuration shown in FIG. 1 can be manufactured.

図１のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により水平方向の回折により周回することにより閉じ込められ、帰還，増幅し、レーザ発振する。同時に、発振光の一部は垂直方向にも回折され放射される。基板方向に放射された光は下部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻る。また、素子表面方向に放射された光の大部分は上部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻り、上部電極が設けられていない領域の低反射率構造からほとんど吸収，反射されずに出力される。   In the photonic crystal laser of FIG. 1, positive and negative carriers are injected from the upper electrode and the lower electrode, recombined in the active layer, and emitted. The light emitted from the active layer is confined by being circulated by diffraction in the horizontal direction by a two-dimensional photonic crystal, and is fed back, amplified, and oscillated. At the same time, part of the oscillation light is also diffracted and emitted in the vertical direction. The light emitted toward the substrate is reflected by the lower semiconductor DBR and returns to the light emitting layer. Further, most of the light emitted toward the element surface is reflected by the upper semiconductor DBR and returned to the light emitting layer, and is output without being absorbed or reflected from the low reflectance structure in the region where the upper electrode is not provided.

前述したように、従来の回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、上部電極と下部電極は面状に広がっている。このため、垂直方向に放射された光の大部分は、上部電極と下部電極で反射，吸収されていた。このうち、吸収される光は損失となり電力利用効率を低下させていた。   As described above, in the conventional diffractive two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the upper electrode and the lower electrode spread in a planar shape. For this reason, most of the light emitted in the vertical direction is reflected and absorbed by the upper electrode and the lower electrode. Of this, absorbed light was lost and power utilization efficiency was reduced.

これに対し、図１の構成では、上部電極が設けられていない領域を設け、この領域のところに、反射率の小さい低反射率構造を備えているので、垂直方向に放射された光の大部分は、上部電極が設けられていない領域の低反射率構造からほとんど吸収，反射されずに出力される。これにより、従来に比べて、低い閾値で発振させることができ、電力利用効率も高まる。すなわち、図１の構成では、上部半導体ＤＢＲと下部半導体ＤＢＲとが設けられていることによって、上下電極での吸収を少なくし、発光部に光を戻すことができ、さらに低反射率構造から光が出力され、この際、上部電極での吸収が少ない構造となっているので、低い閾値で発振させることができ、電力利用効率も高まる。   In contrast, in the configuration of FIG. 1, a region where the upper electrode is not provided is provided, and a low reflectance structure with a low reflectance is provided in this region, so that a large amount of light emitted in the vertical direction is obtained. The portion is output with little absorption and reflection from the low reflectance structure in the region where the upper electrode is not provided. As a result, it is possible to oscillate with a lower threshold than in the prior art, and the power utilization efficiency is also increased. That is, in the configuration of FIG. 1, the upper semiconductor DBR and the lower semiconductor DBR are provided, so that absorption at the upper and lower electrodes can be reduced, and light can be returned to the light emitting portion. In this case, since the absorption at the upper electrode is small, it is possible to oscillate at a low threshold and to improve the power utilization efficiency.

なお、図１の構成例（第１の構成例）では、上部電極が設けられていない領域を設けたが、これのかわりに、上部電極に光出力用の開口部を設け、光出力用の開口部に反射率の小さい低反射率構造を備えるようにしても良い。   In the configuration example of FIG. 1 (first configuration example), the region where the upper electrode is not provided is provided. Instead, an opening for light output is provided in the upper electrode, and the region for light output is provided. The opening may be provided with a low reflectance structure having a small reflectance.

図４は、本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザ第２の構成例を示す図である。図４のフォトニック結晶レーザは、上部半導体ＤＢＲの一部に反射率の低い低反射率構造を設け、この低反射率構造の上の上部電極に光出力用の開口部を設けた構成となっている。それ以外の構成，作製方法は、図１に示した第１の構成例と同様である。ここで、低反射率構造は、上部半導体ＤＢＲの層数が少ない構造や、上部半導体ＤＢＲを設けない構造や、Ｚｎなどを拡散させ上部半導体ＤＢＲを無秩序化させた構造をとる。   FIG. 4 is a diagram showing a second configuration example of the photonic crystal laser according to the first and second embodiments of the present invention. The photonic crystal laser shown in FIG. 4 has a structure in which a low reflectance structure with low reflectance is provided in a part of the upper semiconductor DBR, and an opening for light output is provided in the upper electrode on the low reflectance structure. ing. Other configurations and manufacturing methods are the same as those of the first configuration example shown in FIG. Here, the low reflectance structure has a structure in which the number of layers of the upper semiconductor DBR is small, a structure in which the upper semiconductor DBR is not provided, or a structure in which Zn is diffused and the upper semiconductor DBR is disordered.

これらの低反射率構造と上部電極の光出力用の開口部は、複数の単位格子にわたってもよい。   These low reflectivity structures and the opening for light output of the upper electrode may extend over a plurality of unit cells.

上部電極に光出力用の開口部を設ける方法としては、リフトオフ法，エッチング法等を用いることができる。   As a method for providing an opening for light output in the upper electrode, a lift-off method, an etching method, or the like can be used.

図４のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により水平方向では回折により閉じ込められレーザ発振する。同時に、発振光の一部は垂直方向にも回折され放射される。基板方向に放射された光は下部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻る。また、素子表面方向に放射された光は、上部電極がある領域では上部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻り、低反射率構造から上部電極の光出力用の開口部を介して出力される。   In the photonic crystal laser of FIG. 4, positive and negative carriers are injected from the upper electrode and the lower electrode, recombined in the active layer, and emitted. The light emitted from the active layer is confined by diffraction in the horizontal direction by the two-dimensional photonic crystal and oscillates. At the same time, part of the oscillation light is also diffracted and emitted in the vertical direction. The light emitted toward the substrate is reflected by the lower semiconductor DBR and returns to the light emitting layer. The light emitted toward the element surface is reflected by the upper semiconductor DBR in a region where the upper electrode is present, returns to the light emitting layer, and is output from the low reflectivity structure through the light output opening of the upper electrode.

このように、図４のフォトニック結晶レーザでは、低反射率構造から上部電極の光出力用の開口部を介して光出力されるので、図１のフォトニック結晶レーザの効果に加えて、さらに、複数の密集した高い出力のビ−ムが得られるという効果がある。すなわち、出力される光ビームをファイバと結合させ易いなどの効果がある。   As described above, in the photonic crystal laser of FIG. 4, since light is output from the low reflectivity structure through the opening for light output of the upper electrode, in addition to the effect of the photonic crystal laser of FIG. There is an effect that a plurality of dense and high output beams can be obtained. That is, there is an effect that the output light beam can be easily combined with the fiber.

また、本発明の第２の形態では、積層膜構成が、キャリア閉じ込め領域と光の閉じ込め領域を別にするＳＣＨ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）をとるので、キャリアと光の閉じ込めが良好になる。さらに、光の強度が高いガイド層の中に低屈折率孔を設けているので、フォトニック結晶構造による光の閉じ込めの効果がより高まる。よって、より小さい閾値で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。   Further, in the second embodiment of the present invention, since the stacked film configuration has an SCH structure (Separate Confinement Heterostructure) in which the carrier confinement region and the light confinement region are separately provided, the confinement between the carrier and the light is good. Furthermore, since the low refractive index hole is provided in the guide layer having high light intensity, the effect of confining light by the photonic crystal structure is further enhanced. Therefore, a photonic crystal laser that oscillates with a smaller threshold value can be obtained.

（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されることを特徴としている。 (Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the first or second aspect, as a layer constituting the two-dimensional photonic crystal structure or adjacent to the layer constituting the two-dimensional photonic crystal structure. And a current path limiting layer configured to limit a current path to the light emitting layer, which includes a high resistance region and a conductive region, and a cross-sectional shape parallel to the film surface of the high resistance region is formed on the film surface of the low refractive index hole. It is characterized by being arranged so as to include a parallel cross-sectional shape.

（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第３の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層は、下部ガイド層と下部クラッド層との界面、又は、上部ガイド層と上部クラッド層との界面に設けられていることを特徴としている。 (4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the third aspect, the current path limiting layer is an interface between the lower guide layer and the lower cladding layer, or an interface between the upper guide layer and the upper cladding layer. It is characterized by being provided.

図５，図６は、本発明の第３，第４の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。なお、図６は、フォトニック結晶構造中の低屈折率孔の膜面に平行な断面形状と、電流経路制限層中の高抵抗領域の膜面に平行な断面形状とを示している。   FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams showing a configuration example of the photonic crystal laser according to the third and fourth embodiments of the present invention. FIG. 6 shows a cross-sectional shape parallel to the film surface of the low refractive index hole in the photonic crystal structure and a cross-sectional shape parallel to the film surface of the high resistance region in the current path limiting layer.

図５，図６の構成例では、半導体基板上に、下部半導体ＤＢＲ、下部クラッド層、下部ガイド層、活性層、上部ガイド層を設け、次に、上部ガイド層表面から多数の低屈折率孔を形成し、格子欠陥を含む２次元フォトニック結晶構造を作製する。ここで、低屈折率孔の底部は、上部ガイド層中に位置するように設ける。   5 and 6, the lower semiconductor DBR, the lower cladding layer, the lower guide layer, the active layer, and the upper guide layer are provided on the semiconductor substrate, and then a number of low refractive index holes are formed from the upper guide layer surface. To form a two-dimensional photonic crystal structure including lattice defects. Here, the bottom of the low refractive index hole is provided so as to be located in the upper guide layer.

次に、電流経路制限層を設ける。ここで、図６に示すように、電流経路制限層の高抵抗領域は、高抵抗領域の基板と平行な断面形状が、低屈折率孔の電流経路制限層への投影形状（低屈折率孔の基板と平行な断面形状）よりも大きく、低屈折率孔の投影形状を含むように配置される。電流経路制限層の高抵抗領域以外の部分は、導電性領域である。   Next, a current path limiting layer is provided. Here, as shown in FIG. 6, the high resistance region of the current path limiting layer has a cross-sectional shape parallel to the substrate of the high resistance region, and the projected shape of the low refractive index hole on the current path limiting layer (low refractive index hole). Larger than the cross-sectional shape parallel to the substrate), and is arranged so as to include the projected shape of the low refractive index hole. The portion other than the high resistance region of the current path limiting layer is a conductive region.

電流経路制限層の高抵抗領域は、ＳｉＯ２膜，ＳｉＯＮ膜，ＳｉＮ膜，ＡｌｘＯｙ，ＺｒＯ２，ＴｉＯ２等の絶縁性の酸化物膜、ＺｒＮ，ＴｉＮ等の絶縁性の窒化物、あるいは、ＨやＯで高抵抗化したＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰなどの化合物半導体からなる。 The high resistance region of the current path limiting layer is made of an SiO 2 film, an SiON film, an SiN film, an insulating oxide film such as Al x O y , ZrO 2 , or TiO 2, an insulating nitride such as ZrN or TiN, Alternatively, it is made of a compound semiconductor such as GaAs, AlGaAs, AlAs, AlGaInP, GaInAsP whose resistance is increased by H or O.

また、導電性領域は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＩｎＰなどの化合物半導体からなる。この導電性領域は、上部クラッド層の一部か、上部ガイド層の一部を兼ねる場合もある。   The conductive region is made of a compound semiconductor such as GaAs, AlGaAs, AlAs, AlGaInP, GaInAsP, or InP. This conductive region may also serve as part of the upper cladding layer or part of the upper guide layer.

続いて、上部クラッド層、上部半導体ＤＢＲを、直接接合法，融着法，ＭＯＣＶＤ法，スパッタリング法等で設ける。このとき、上部半導体ＤＢＲの最下層の低屈折率層が上部クラッド層を兼ねる場合もある。   Subsequently, the upper cladding layer and the upper semiconductor DBR are provided by a direct bonding method, a fusion method, an MOCVD method, a sputtering method, or the like. At this time, the lower refractive index layer in the lowermost layer of the upper semiconductor DBR may also serve as the upper cladding layer.

次に、低反射率構造を形成し、次いで、低反射率構造のところに開口部を有する上部電極を設ける。   Next, a low reflectance structure is formed, and then an upper electrode having an opening is provided at the low reflectance structure.

最後に、下部クラッド層と基板の間のいずれかに接続させて下部電極を設ける。   Finally, a lower electrode is provided so as to be connected between the lower cladding layer and the substrate.

なお、クラッド層中や上部ＤＢＲ中に電流経路制限層を設けることもできるが、後述の理由により、クラッド層とガイド層との界面に電流経路制限層を設ける構成が望ましい。   Although a current path limiting layer can be provided in the cladding layer or in the upper DBR, a configuration in which a current path limiting layer is provided at the interface between the cladding layer and the guide layer is desirable for reasons described later.

また、多くの化合物半導体は ｐ型伝導体の方がｎ型伝導体よりも移動度が小さいので、キャリアの横方向の拡散が小さい。このため、電流経路制限層を設ける個所は、ｐ型伝導構成膜中であるのが好ましい。   Also, in many compound semiconductors, the p-type conductor has a lower mobility than the n-type conductor, so that the lateral diffusion of carriers is small. For this reason, the location where the current path limiting layer is provided is preferably in the p-type conductive constituent film.

図５，図６の構成例では、上部電極，下部電極の各電極に電流を流すと、広い領域で少ないリーク電流で発光層に電流を注入できるようになる。よって、広い領域でより低い閾値でレーザ発振する。これにより、大面積で上部電極の開口から垂直方向に、より低い閾値のレーザ光が出力される。   In the configuration example of FIGS. 5 and 6, when a current is passed through each of the upper electrode and the lower electrode, the current can be injected into the light emitting layer with a small leak current in a wide region. Therefore, laser oscillation occurs with a lower threshold in a wide region. As a result, laser light with a lower threshold is output in the vertical direction from the opening of the upper electrode in a large area.

このように、本発明の第３の形態では、電極から注入されたキャリアは、格子欠陥を含む２次元フォトニック結晶構造を通過し活性層に達するが、半導体層に低屈折率孔を設けて形成される２次元フォトニック結晶構造の内部、又は、近傍に高抵抗領域と導電性領域からなる電流経路制限層を設けているので、電流の大部分は低屈折率孔から離れた場所を通る。よって、２次元フォトニック結晶構造を通過するキャリアのうち低屈折率孔の側壁に達する割合は小さくなる。このため、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合は少なくなる。よって、より閾値電流が低くなり、電力の利用効率もより高くなる。   As described above, in the third embodiment of the present invention, the carriers injected from the electrode pass through the two-dimensional photonic crystal structure including lattice defects and reach the active layer, but the semiconductor layer is provided with a low refractive index hole. Since a current path limiting layer composed of a high resistance region and a conductive region is provided in or near the formed two-dimensional photonic crystal structure, most of the current passes through a place away from the low refractive index hole. . Therefore, the proportion of carriers passing through the two-dimensional photonic crystal structure that reaches the side wall of the low refractive index hole is small. For this reason, non-radiative recombination of carriers on the side wall of the low refractive index hole is reduced. Therefore, the threshold current becomes lower and the power utilization efficiency becomes higher.

また、本発明の第４の形態では、２次元フォトニック結晶構造をガイド層に設け、電流経路制限層をガイド層とクラッド層との界面に設けているので、電流経路制限層がクラッド層中や上部ＤＢＲ中に設けられる場合と比較して、電流経路制限部から活性層までの距離が短くなり、大部分のキャリアは低屈折率孔の側壁に達しないで活性層に達するようになる。よって、さらに閾値が低くなり電力の利用効率もさらに高くなる。   In the fourth embodiment of the present invention, since the two-dimensional photonic crystal structure is provided in the guide layer and the current path limiting layer is provided at the interface between the guide layer and the cladding layer, the current path limiting layer is in the cladding layer. Compared with the case where the current path is provided in the upper DBR, the distance from the current path restricting portion to the active layer is shortened, and most carriers reach the active layer without reaching the side walls of the low refractive index holes. Therefore, the threshold value is further lowered and the power utilization efficiency is further enhanced.

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第３または第４の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっていることを特徴としている。 (5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to the third or fourth aspect, the conductive region of the current path limiting layer is an Al x Ga 1-x As (0.95 <x ≦ 1) layer. The high-resistance region of the current path limiting layer is characterized by comprising a region obtained by oxidizing the Al x Ga 1-x As layer.

ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ （０．９５＜ｘ≦１） ［以下、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓと記す］は、水蒸気を導入した４００℃程度の熱処理で酸化し高抵抗な酸化物に変化する。なお、ｘの値は、０．９５以上であれば、酸化速度が制御可能なほどの大きさになる。 Al x Ga 1-x As ( 0.95 <x ≦ 1) [ hereinafter referred to as Al (Ga) As] is oxidized with heat treatment at about 400 ° C. by introducing steam changes to a high resistance oxide. If the value of x is 0.95 or more, the oxidation rate is large enough to be controlled.

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の電流狭窄構造の作製方法で、最も用いられている方法は、共振器近傍に設けたＡｌ（Ｇａ）Ａｓ膜の側壁を、エッチングで露出させた後、前述の条件でＡｌ（Ｇａ）Ａｓ膜を側壁壁から酸化していき高抵抗領域を形成する選択酸化法である。この第５の形態における高抵抗領域を形成するときの反応機構は、この選択酸化法の反応機構と同じである。   The most used method for manufacturing the current confinement structure of the vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is to expose the side wall of the Al (Ga) As film provided in the vicinity of the cavity by etching, and This is a selective oxidation method in which a high resistance region is formed by oxidizing an Al (Ga) As film from the side wall under the above-mentioned conditions. The reaction mechanism when forming the high resistance region in the fifth embodiment is the same as the reaction mechanism of this selective oxidation method.

なお、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓはＧａＡｓ基板上に良好にエピタキシャル成長するので、第５の形態の構成は、ＧａＡｓ上のフォトニック結晶レーザに適する。   Since Al (Ga) As grows epitaxially well on a GaAs substrate, the configuration of the fifth embodiment is suitable for a photonic crystal laser on GaAs.

図７は本発明の第５の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。図７の構成例では、ＧａＡｓ基板上に、下部半導体ＤＢＲ、下部クラッド層、下部ガイド層、活性層、上部ガイド層、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ電流経路制限層、上部クラッド層を設ける。   FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of the photonic crystal laser according to the fifth embodiment of the present invention. In the configuration example of FIG. 7, a lower semiconductor DBR, a lower cladding layer, a lower guide layer, an active layer, an upper guide layer, an Al (Ga) As current path limiting layer, and an upper cladding layer are provided on a GaAs substrate.

次に、上部クラッド層表面から多数の低屈折率孔を形成し、格子欠陥を含む２次元フォトニック結晶構造を作製する。この際、低屈折率孔の底部は、上部ガイド層中に位置するように設ける。このとき、低屈折率孔の内壁にＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層の断面が露出する。次に、前述のＶＣＳＥＬの選択酸化と同様の条件でＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層を酸化していく。例えば、低屈折率孔の断面が円形の場合には、酸化した高抵抗領域は、低屈折率孔と同心円に形成される。酸化時間を増やすと、近接した低屈折率孔から伸びてきた高抵抗領域が繋がる。   Next, a number of low refractive index holes are formed from the surface of the upper cladding layer, and a two-dimensional photonic crystal structure including lattice defects is produced. At this time, the bottom of the low refractive index hole is provided so as to be located in the upper guide layer. At this time, the cross section of the Al (Ga) As layer is exposed on the inner wall of the low refractive index hole. Next, the Al (Ga) As layer is oxidized under the same conditions as the selective oxidation of the VCSEL described above. For example, when the cross section of the low refractive index hole is circular, the oxidized high resistance region is formed concentrically with the low refractive index hole. When the oxidation time is increased, the high resistance region extending from the adjacent low refractive index hole is connected.

続いて、上部半導体ＤＢＲを設ける。このとき、上部半導体ＤＢＲの最下層の低屈折率層が上部クラッド層を兼ねる場合もある。   Subsequently, an upper semiconductor DBR is provided. At this time, the lower refractive index layer in the lowermost layer of the upper semiconductor DBR may also serve as the upper cladding layer.

次に、低反射率構造を形成する。次に、低反射率構造のところに開口部を有する上部電極を設ける。   Next, a low reflectance structure is formed. Next, an upper electrode having an opening is provided at the low reflectance structure.

最後に、下部クラッド層と基板の間のいずれかに接続させて下部電極を設ける。   Finally, a lower electrode is provided so as to be connected between the lower cladding layer and the substrate.

図７の構成例では、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により閉じ込められ、さらに増幅され、レーザ発振する。レーザ光は、上部電極の開口部から出力される。   In the configuration example of FIG. 7, positive and negative carriers are injected from the upper electrode and the lower electrode, recombined in the active layer, and light is emitted. The light emitted from the active layer is confined by the two-dimensional photonic crystal, further amplified, and oscillated. Laser light is output from the opening of the upper electrode.

このように、本発明の第５の形態では、高抵抗領域は低屈折率孔と自己整合的に生成されるので、リソグラフィー工程が不要な上に、高精度に形成できる。これにより、上部電極から注入され導電性領域を通過したキャリアの大部分は、確実に低屈折率孔から離れた箇所を通る。このため、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合はより少なくなる。よって、簡便な工程で作製でき、リーク電流がより小さくなるため、高い電力利用効率で、より小さい閾値で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。   Thus, in the fifth embodiment of the present invention, since the high resistance region is generated in a self-aligned manner with the low refractive index hole, a lithography process is not required and can be formed with high accuracy. As a result, most of the carriers injected from the upper electrode and passing through the conductive region surely pass through locations away from the low refractive index holes. For this reason, there is less non-radiative recombination of carriers on the sidewalls of the low refractive index holes. Therefore, since it can be manufactured by a simple process and the leakage current becomes smaller, a photonic crystal laser that oscillates with a smaller threshold with high power utilization efficiency can be obtained.

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれていることを特徴としている。 (Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the photonic crystal laser according to any one of the first to fifth aspects, the active layer of the light emitting layer contains a GaInNAs-based material.

ＧａＩｎＮＡｓ系材料は、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体で構成されており、具体的には、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓなどで構成される。
発振波長が１．１〜１．６μｍ程度の長波長帯半導体レーザは、発振光が石英系ファイバ中を損失少なく伝播し、Ｓｉ基板中を吸収少なく透過するので、長距離光通信網の他に、チップ間、チップ内、ボード間、ボード内、ＬＡＮ内の光伝送用光源としての適用性が特に高い。 The GaInNAs-based material is composed of a III-V group mixed crystal semiconductor containing N and As, and specifically, composed of GaNAs, GaInNAs, GaInAsSb, GaInNP, GaNP, GaNAsSb, GaInNAsSb, InNAs, InNPAs, and the like. .
A long wavelength semiconductor laser having an oscillation wavelength of about 1.1 to 1.6 μm propagates through the silica fiber with little loss and transmits through the Si substrate with little absorption. In particular, the applicability as a light transmission light source between chips, in chips, between boards, in boards, and in LANs is particularly high.

従来、この長波長帯半導体レーザとしては、ＩｎＰ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＰ活性層をもつ端面発光型半導体レーザが実用化されている。しかし、このＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡｓＰ系レーザは、温度特性が低いので、冷却装置が必要になる。   Conventionally, as this long-wavelength semiconductor laser, an edge-emitting semiconductor laser having a GaInAsP active layer formed on an InP substrate has been put into practical use. However, since the GaInAsP laser on this InP substrate has low temperature characteristics, a cooling device is required.

一方、ＧａＡｓ基板上に作製するＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯レーザは、温度特性が高いため、室温環境下でＣＷ発振する。これらの利点のため、近年、ＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯レーザは盛んに研究開発されてきている。   On the other hand, since a GaInNAs long wavelength band laser produced on a GaAs substrate has high temperature characteristics, CW oscillation occurs in a room temperature environment. Due to these advantages, GaInNAs long wavelength band lasers have been actively researched and developed in recent years.

本発明の第６の形態は、この優れた特性をもつＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にもつ２次元フォトニック結晶レーザを実現するものである。   The sixth embodiment of the present invention realizes a two-dimensional photonic crystal laser having, as an active layer, a GaInNAs material having such excellent characteristics.

すなわち、活性層として、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を含む活性層を用い、前述した各構成例と同様の作製過程で、第６の形態のフォトニック結晶レーザを形成することができる。   In other words, the active layer containing a GaInNAs-based material is used as the active layer, and the photonic crystal laser of the sixth embodiment can be formed in the same manufacturing process as each of the configuration examples described above.

このような構成のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により閉じ込められ、さらに増幅され、レーザ発振する。そして、長波長帯のレーザ光が、上部電極の開口部又は上部電極が設けられていない領域から出力される。   In the photonic crystal laser having such a configuration, positive and negative carriers are injected from the upper electrode and the lower electrode, recombined in the active layer, and emitted. The light emitted from the active layer is confined by the two-dimensional photonic crystal, further amplified, and oscillated. Then, the laser beam in the long wavelength band is output from the upper electrode opening or the region where the upper electrode is not provided.

このように、本発明の第６の形態では、高効率で低閾値のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを得ることができる。これによって、高性能の光伝送に適用性の高い素子表面方向に垂直に出力するレーザ光源を得ることができる。   Thus, in the sixth embodiment of the present invention, a GaInNAs photonic crystal laser with high efficiency and low threshold can be obtained. As a result, it is possible to obtain a laser light source that outputs in a direction perpendicular to the element surface direction, which is highly applicable to high-performance optical transmission.

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１の基板に、下部半導体ＤＢＲ、発光層を順次形成する第１の工程と、第２の基板に、上部ＤＢＲ半導体を形成する第２の工程と、第１の基板上の第１の表面、または、第２の基板上の第２の表面に、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程と、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程の後に、第１の基板上の第１の表面と第２の基板上の第２の表面とを接合する第４の工程とを含むことを特徴としている。 (7th form)
According to a seventh aspect of the present invention, a first step of sequentially forming a lower semiconductor DBR and a light emitting layer on a first substrate, a second step of forming an upper DBR semiconductor on a second substrate, A third step of forming a two-dimensional photonic crystal structure on a first surface on one substrate or a second surface on a second substrate, and a third step of forming a two-dimensional photonic crystal structure After the step, a fourth step of bonding the first surface on the first substrate and the second surface on the second substrate is included.

なお、上記の説明では省略されているが、第１の工程において、第１の基板には、下部半導体ＤＢＲと発光層との間にさらに下部クラッド層が形成され、また、上部クラッド層が、第１の工程において発光層上に形成されるか、あるいは、第２の工程において上部半導体ＤＢＲ上に形成される。   Although omitted in the above description, in the first step, a lower clad layer is further formed between the lower semiconductor DBR and the light emitting layer on the first substrate, and the upper clad layer is It is formed on the light emitting layer in the first step, or is formed on the upper semiconductor DBR in the second step.

図８，図９は本発明の第７の形態のフォトニック結晶レーザの作製工程例を示す図である。この作製工程例では、図８に示すように、第１の基板上に、下部半導体ＤＢＲ、下部クラッド層、ガイド層、活性層、上部ＧａＡｓガイド層、ＡｌＡｓ電流経路制限層、第１の融着層を順次にエピタキシャル成長させ、第１の半導体積層膜を形成する。なお、ここで、第１の融着層の表面を第１の表面とする。   8 and 9 are views showing an example of a manufacturing process of the photonic crystal laser according to the seventh embodiment of the present invention. In this manufacturing process example, as shown in FIG. 8, a lower semiconductor DBR, a lower cladding layer, a guide layer, an active layer, an upper GaAs guide layer, an AlAs current path limiting layer, a first fusion bond are formed on a first substrate. The layers are sequentially epitaxially grown to form a first semiconductor multilayer film. Here, the surface of the first fusion layer is defined as the first surface.

一方、第２の基板上に、ＧａＩｎＰ等のエッチストップ層、上部半導体ＤＢＲ層、上部クラッド層、第２の融着層を順次にエピタキシャル成長させ、第２の半導体積層膜を形成する。なお、ここで、第２の融着層の表面を第２の表面とする。   On the other hand, an etch stop layer such as GaInP, an upper semiconductor DBR layer, an upper clad layer, and a second fusion layer are sequentially epitaxially grown on the second substrate to form a second semiconductor multilayer film. Here, the surface of the second fusion layer is defined as the second surface.

続いて、第１の表面にレジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ドライエッチング法を用いて、フォトニック結晶構造を作製する。   Subsequently, a resist is applied to the first surface, EB is directly drawn, and a photonic crystal structure is produced using a dry etching method.

次に、水蒸気を導入しながら ４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出したＡｌＡｓ電流経路制限層の側壁から酸化していき、高抵抗領域を形成する。酸化されないで残ったｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層は導電性領域となる。   Next, heat treatment is performed at about 400 ° C. while introducing water vapor, and oxidation is performed from the side wall of the AlAs current path limiting layer exposed on the inner wall of the low refractive index hole to form a high resistance region. The p-AlAs current path limiting layer remaining without being oxidized becomes a conductive region.

次に、第１の表面と第２の表面を重ね、加重をかけながら真空中で４２０℃から６５０℃の熱処理を行うことにより、第１の表面と第２の表面を接合する。次に、第２の半導体積層膜側の基板（第２の基板）を研磨とエッチングで除去し、ＧａＩｎＰ層を露出させる。続いて、ＨＣｌ／Ｈ２Ｏ液でＧａＩｎＰ層を除去し、上部半導体ＤＢＲを露出させる。次に、ドライエッチングにより所定の箇所の上部半導体ＤＢＲを除去し、低反射率構造を形成する。続いて、この低反射率構造の上にレジストパターンを形成し、上部電極を蒸着した後、リフトオフ，ＦＩＢエッチング等により低反射率構造上に上部電極の開口を形成する。最後に、第１の基板の裏面に、下部電極を設ける。 Next, the first surface and the second surface are overlapped, and heat treatment is performed at 420 ° C. to 650 ° C. in a vacuum while applying a load, thereby joining the first surface and the second surface. Next, the substrate (second substrate) on the second semiconductor laminated film side is removed by polishing and etching to expose the GaInP layer. Subsequently, the GaInP layer is removed with HCl / H 2 O solution to expose the upper semiconductor DBR. Next, the upper semiconductor DBR at a predetermined location is removed by dry etching to form a low reflectance structure. Subsequently, a resist pattern is formed on the low reflectivity structure, an upper electrode is deposited, and then an opening of the upper electrode is formed on the low reflectivity structure by lift-off, FIB etching, or the like. Finally, a lower electrode is provided on the back surface of the first substrate.

これにより、図９に示すようなフォトニック結晶レーザを作製することができる。   As a result, a photonic crystal laser as shown in FIG. 9 can be manufactured.

なお、上記作製工程例の他に、第１の半導体積層膜は同じで、第２の半導体積層膜側に電流経路制限層とフォトニック結晶構造をもつ場合や、融着工程までは上記作製工程例と同じで、次に第１の基板を除去する方法などもある。   In addition to the above manufacturing process example, the first semiconductor stacked film is the same, and the manufacturing process is performed until the second semiconductor stacked film side has a current path limiting layer and a photonic crystal structure, or until the fusion process. As in the example, there is a method of removing the first substrate next.

このように、本発明の第７の形態は、ウェハ融着法を用いる製造方法であるので、フォトニック結晶上に半導体膜を再成長させる必要がなくなり、ＤＢＲを含む全ての半導体膜をエピタキシャル成長膜とすることができる。また、フォトニック結晶構造の低屈折率孔の内部に充填物がない状態になるので、高屈折率領域との屈折率差が大きくなり、発振光の閉じ込めが強まる。以上より、より低閾値で電力利用効率も高いフォトニック結晶レーザが得られる。   As described above, since the seventh embodiment of the present invention is a manufacturing method using the wafer fusion method, there is no need to re-grow a semiconductor film on the photonic crystal, and all semiconductor films including DBR are epitaxially grown. It can be. In addition, since there is no filler inside the low refractive index hole of the photonic crystal structure, the refractive index difference from the high refractive index region is increased, and the confinement of oscillation light is strengthened. As described above, a photonic crystal laser with a lower threshold and higher power utilization efficiency can be obtained.

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システムである。 (Eighth form)
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an optical transmission system including the photonic crystal laser according to any one of the first to sixth aspects as a light emitting device.

図１０は、本発明のフォトニック結晶レーザを備えたボード間の並列光伝送システムの一例を示す図である。図１０のシステムでは、フォトニック結晶レーザからの信号を複数の光ファイバを用いて同時に伝送する。   FIG. 10 is a diagram showing an example of a parallel optical transmission system between boards equipped with the photonic crystal laser of the present invention. In the system of FIG. 10, signals from a photonic crystal laser are transmitted simultaneously using a plurality of optical fibers.

また、図１１は、本発明の第６の形態のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを光源として備えたボード間のチップ間の並列空間光伝送システムの一例を示す図である。図１１の例の場合、フォトニック結晶レーザからの信号をＳｉ基板を透過して並列に光伝送する。   FIG. 11 is a diagram showing an example of a parallel spatial light transmission system between chips provided with a GaInNAs-based photonic crystal laser according to the sixth embodiment of the present invention as a light source. In the case of the example of FIG. 11, a signal from the photonic crystal laser is transmitted through the Si substrate and optically transmitted in parallel.

本発明の第８の形態では、本発明のフォトニック結晶レーザを光源として備えて光伝送システムを構成しているので、より高性能なデータ伝送システムを提供することができる。   In the eighth aspect of the present invention, the optical transmission system is configured by including the photonic crystal laser of the present invention as a light source, so that a higher-performance data transmission system can be provided.

以下、本発明の実施例を説明する。   Examples of the present invention will be described below.

図１２は実施例１のフォトニック結晶レーザを示す図である。図１２を参照すると、実施例１では、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ１．０μｍのｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０μｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ２００ｎｍのｐ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ上部クラッド層、厚さ１０ｎｍのｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓエッチングストップ層を順次にエピタキシャル成長させ、半導体積層膜を形成する。
次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＩＣＰエッチング法を用い、積層膜表面の直径３５μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。 FIG. 12 is a diagram showing the photonic crystal laser of Example 1. Referring to FIG. 12, in Example 1, a lower semiconductor composed of n-Al 0.9 Ga 0.1 As / n-GaAs 10.5 pair on an n-GaAs single crystal (100) substrate by MOCVD. DBR, n-Al 0.8 Ga 0.2 As lower cladding layer with a thickness of 1.0 μm, GaAs lower guide layer with a thickness of 150 nm, GaInAs / GaAs TQW active layer, GaAs upper guide layer with a thickness of 150 μm, thickness A 200 nm p-Al 0.8 Ga 0.2 As upper clad layer and a 10 nm thick p-Al 0.3 Ga 0.7 As etching stop layer are epitaxially grown in sequence to form a semiconductor multilayer film.
Next, a resist is applied, EB is directly drawn, and an ICP etching method is used to produce a photonic crystal structure within a 35 μm diameter range on the surface of the laminated film.

このフォトニック結晶構造は、積層膜表面の４５μｍ×４５μｍの領域内で、格子間隔が２８７ｎｍの三角格子で、各格子点には直径１００μｍの低屈折率孔を有する。これらの低屈折率孔の底面は、上部クラッド層の上面から１５０μｍの距離に位置するようにする。   This photonic crystal structure is a triangular lattice having a lattice spacing of 287 nm within a 45 μm × 45 μm region on the surface of the laminated film, and each lattice point has a low refractive index hole having a diameter of 100 μm. The bottom surfaces of these low refractive index holes are located at a distance of 150 μm from the top surface of the upper cladding layer.

次に、ＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２膜を形成する。このとき、低屈折率孔はＳｉＯ２で満たされる。次に、リソグラフィー，ＢＨＦを用いたウェットエッチングにより、直径２０μｍの領域のＳｉＯ２膜を除去する。このとき、レジストで被覆し、低屈折率孔中のＳｉＯ２がエッチングされないようにする。 Next, a 50 nm thick SiO 2 film is formed by EB vapor deposition. At this time, the low refractive index hole is filled with SiO 2 . Next, the SiO 2 film having a diameter of 20 μm is removed by lithography and wet etching using BHF. At this time, it is covered with a resist so that SiO 2 in the low refractive index hole is not etched.

続いて、厚さ０．２μｍのｐ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ膜をＭＢＥ法で形成し、第２上部クラッド層とする。このｐ−ＡｌＧａＡｓ膜は、上部クラッド層が露出している面上ではエピタキシャル成長し、ＳｉＯ２が充填された低屈折率孔の上では多結晶体となる。次いで、第２上部クラッド層上に、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ ５ペアからなる上部半導体ＤＢＲを設ける。 Subsequently, a p-Al 0.8 Ga 0.2 As film having a thickness of 0.2 μm is formed by MBE to form a second upper cladding layer. This p-AlGaAs film grows epitaxially on the surface where the upper cladding layer is exposed, and becomes a polycrystalline body on the low refractive index hole filled with SiO 2 . Next, an upper semiconductor DBR made of 5 pairs of p-Al 0.9 Ga 0.1 As / p-GaAs is provided on the second upper cladding layer.

次に、２２μｍ×２２μｍ領域以外の上部半導体ＤＢＲと第２上部クラッド層をドライエッチングとウェットエッチングにより除去し、低反射率構造を形成する。   Next, the upper semiconductor DBR and the second upper cladding layer other than the 22 μm × 22 μm region are removed by dry etching and wet etching to form a low reflectance structure.

この上にレジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより残った上部半導体ＤＢＲに上部電極を設ける。この上部電極は、２０μｍ×２０μｍの正方形とする。   A resist pattern is formed thereon, an Au / AuZn film is deposited, and then an upper electrode is provided on the remaining upper semiconductor DBR by lift-off. The upper electrode is a square of 20 μm × 20 μm.

最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設け、図１２のフォトニック結晶レーザを作製することができる。   Finally, an Au / Ni / AuGe lower electrode is provided on the back surface of the GaAs substrate, and the photonic crystal laser shown in FIG. 12 can be manufactured.

図１２のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から、それぞれ正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶中で水平方向に２次の回折を行い閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。同時に垂直方向に回折され放射される。この放射された光の多くは、上部半導体ＤＢＲ，下部半導体ＤＢＲによってガイド層と活性層に戻される。光出力は、上部電極が設けられていない領域の低反射率構造から取り出される。   In the photonic crystal laser of FIG. 12, positive and negative carriers are respectively injected from the upper electrode and the lower electrode, recombined in the active layer, and emitted. The light emitted from the active layer is confined by second-order diffraction in the horizontal direction in the two-dimensional photonic crystal, further amplified, and oscillated. At the same time, it is diffracted and emitted in the vertical direction. Most of the emitted light is returned to the guide layer and the active layer by the upper semiconductor DBR and the lower semiconductor DBR. The light output is extracted from the low reflectivity structure in the region where the upper electrode is not provided.

図１２のフォトニック結晶レーザでは、上部半導体ＤＢＲ，下部半導体ＤＢＲを設けているので、上部電極，下部電極での光の吸収が少なくなり、発光部に発振光が戻ることにより、電力の利用効率が高まり、また低い閾値で発振するようになる。   In the photonic crystal laser of FIG. 12, since the upper semiconductor DBR and the lower semiconductor DBR are provided, the absorption of light at the upper electrode and the lower electrode is reduced, and the oscillation light returns to the light emitting portion, so that the power use efficiency And the oscillation starts at a low threshold.

図１３は実施例２のフォトニック結晶レーザを示す図である。図１３を参照すると、実施例２では、ＭＢＥ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ０．６μｍのｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ２００ｎｍのｐ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ上部クラッド層、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ １ペアからなる上部半導体ＤＢＲを順次にエピタキシャル成長させ、半導体積層膜を形成する。 FIG. 13 shows a photonic crystal laser of Example 2. Referring to FIG. 13, in Example 2, a lower semiconductor composed of n-Al 0.9 Ga 0.1 As / n-GaAs 10.5 pair on an n-GaAs single crystal (100) substrate by MBE method. DBR, 0.6 μm thick n-Al 0.8 Ga 0.2 As lower cladding layer, 150 nm thick GaAs lower guide layer, GaInAs / GaAs TQW active layer, 150 nm thick GaAs upper guide layer, thickness An upper semiconductor DBR composed of a 200 nm p-Al 0.8 Ga 0.2 As upper cladding layer and a p-Al 0.9 Ga 0.1 As / p-GaAs 1 pair is sequentially epitaxially grown to form a semiconductor multilayer film. To do.

次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＥＣＲエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。このフォトニック結晶構造は、格子間隔が２８７ｎｍの正方格子で、各格子には直径１００ｎｍの低屈折率孔を有する。これらの低屈折率孔の底面は、上部ガイド層の上面から１００ｎｍの距離に位置するようにする。   Next, a resist is applied, EB is directly drawn, and an ECR etching method is used to produce a photonic crystal structure within a range of a diameter of 50 μm on the surface of the laminated film. This photonic crystal structure is a square lattice having a lattice spacing of 287 nm, and each lattice has a low refractive index hole having a diameter of 100 nm. The bottom surfaces of these low refractive index holes are located at a distance of 100 nm from the top surface of the upper guide layer.

次にＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２膜を形成する。このとき、低屈折率孔はＳｉＯ２で満たされる。次に、リソグラフィー，ＢＨＦを用いたウェットエッチングにより、直径３６μｍの領域のＳｉＯ２膜を除去する。このとき、レジストで被覆し、低屈折率孔中のＳｉＯ２がエッチングされないようにする。 Next, a 50 nm thick SiO 2 film is formed by EB vapor deposition. At this time, the low refractive index hole is filled with SiO 2 . Next, the SiO 2 film in a region having a diameter of 36 μm is removed by lithography and wet etching using BHF. At this time, it is covered with a resist so that SiO 2 in the low refractive index hole is not etched.

次に、フォトニック結晶の１０単位格子離れた格子点の上の上部半導体ＤＢＲをドライエッチングにより除去し、低反射率構造を作製する。   Next, the upper semiconductor DBR above the lattice points separated by 10 unit lattices of the photonic crystal is removed by dry etching to produce a low reflectance structure.

この低反射率構造の上にレジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより低反射率構造上に直径４０μｍの開口をもつ上部電極を設ける。最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｔｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設け、図１３のフォトニック結晶レーザを作製することができる。   A resist pattern is formed on this low reflectivity structure, an Au / AuZn film is deposited, and then an upper electrode having an opening with a diameter of 40 μm is provided on the low reflectivity structure by lift-off. Finally, an Au / Ti / AuGe lower electrode is provided on the back surface of the GaAs substrate, and the photonic crystal laser shown in FIG. 13 can be manufactured.

図１３のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から、それぞれ正，負のキャリアを注入すると、キャリアは活性層に達し活性層が発光する。活性層で発光した光は、ガイド層まで達する２次元フォトニック結晶で２次の回折を行い閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。レーザ光は上部電極の開口部から垂直に出力される。   In the photonic crystal laser of FIG. 13, when positive and negative carriers are injected from the upper electrode and the lower electrode, respectively, the carriers reach the active layer and the active layer emits light. The light emitted from the active layer is confined by second-order diffraction by a two-dimensional photonic crystal reaching the guide layer, and further amplified and laser oscillation occurs. Laser light is output vertically from the opening of the upper electrode.

実施例２のフォトニック結晶レーザでは、実施例１の作用効果にさらに次の効果が加わる。   In the photonic crystal laser of the second embodiment, the following effects are further added to the operational effects of the first embodiment.

すなわち、実施例２のフォトニック結晶レーザでは、低反射率構造上に上部電極の開口が設けられているので、上部電極の開口から、集積した高出力のレーザビームが得られる。   That is, in the photonic crystal laser of Example 2, since the opening of the upper electrode is provided on the low reflectance structure, an integrated high-power laser beam can be obtained from the opening of the upper electrode.

また、ガイド層中に低屈折率孔が設けられているので、光の閉じ込めが良くなり、より低い閾値のレーザが得られる。   Further, since the low refractive index hole is provided in the guide layer, light confinement is improved and a laser having a lower threshold value can be obtained.

図１４，図１５は実施例３のフォトニック結晶レーザを示す図である。なお、図１５は図１４の電流経路制限層の基板と平行な断面を示す図である。図１４を参照すると、実施例３では、ＭＢＥ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ０．６μｍのｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ３０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層、厚さ３００μｍのｐ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ上部クラッド層、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ １ペアからなる上部半導体ＤＢＲを順次にエピタキシャル成長させ、半導体積層膜を形成する。 14 and 15 are diagrams showing a photonic crystal laser of Example 3. FIG. FIG. 15 is a view showing a cross section of the current path limiting layer in FIG. 14 parallel to the substrate. Referring to FIG. 14, in Example 3, the lower semiconductor composed of n-Al 0.9 Ga 0.1 As / n-GaAs 10.5 pair on an n-GaAs single crystal (100) substrate by MBE method. DBR, 0.6 μm thick n-Al 0.8 Ga 0.2 As lower cladding layer, 150 nm thick GaAs lower guide layer, GaInNAs / GaAs TQW active layer, 150 nm thick GaAs upper guide layer, thickness 30 nm p-AlAs current path limiting layer, 300 μm thick p-Al 0.8 Ga 0.2 As upper clad layer, p-Al 0.9 Ga 0.1 As / p-GaAs 1 pair upper semiconductor DBRs are epitaxially grown sequentially to form a semiconductor multilayer film.

次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＥＣＲエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。このフォトニック結晶構造は、格子間隔が４３９ｎｍの三角格子で、各格子には直径１００ｎｍの低屈折率孔を有する。これらの低屈折率孔の底面は、上部ガイド層の上面から１００ｎｍの距離に位置するようにする。   Next, a resist is applied, EB is directly drawn, and an ECR etching method is used to produce a photonic crystal structure within a range of a diameter of 50 μm on the surface of the laminated film. This photonic crystal structure is a triangular lattice having a lattice spacing of 439 nm, and each lattice has a low refractive index hole having a diameter of 100 nm. The bottom surfaces of these low refractive index holes are located at a distance of 100 nm from the top surface of the upper guide layer.

次に、水蒸気を導入しながら４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出したｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層の側壁から酸化していき、外径が３５０ｎｍの高抵抗領域を形成する。酸化されないで残ったｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層は導電性領域となる。   Next, it heat-processes at about 400 degreeC, introduce | transducing water vapor | steam, and oxidizes from the side wall of the p-AlAs electric current path limiting layer exposed to the low refractive index hole inner wall, and forms a high resistance area | region whose outer diameter is 350 nm. The p-AlAs current path limiting layer remaining without being oxidized becomes a conductive region.

次に、ＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２膜を形成する。このとき、低屈折率孔はＳｉＯ２で満たされる。次にリソグラフィー，ＢＨＦを用いたウェットエッチングにより、直径３６μｍの領域のＳｉＯ２膜を除去する。このとき、レジストで被覆し、低屈折率孔中のＳｉＯ２がエッチングされないようにする。 Next, a 50 nm thick SiO 2 film is formed by EB vapor deposition. At this time, the low refractive index hole is filled with SiO 2 . Next, the SiO 2 film having a diameter of 36 μm is removed by lithography and wet etching using BHF. At this time, it is covered with a resist so that SiO 2 in the low refractive index hole is not etched.

次に、フォトニック結晶の１０単位格子離れた格子点の上の上部半導体ＤＢＲをドライエッチングにより除去し、低反射率構造を作製する。   Next, the upper semiconductor DBR above the lattice points separated by 10 unit lattices of the photonic crystal is removed by dry etching to produce a low reflectance structure.

この低反射率構造の上に、レジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより低反射率構造上に直径４０μｍの開口をもつ上部電極を設ける。最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｔｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設け、図１４のフォトニック結晶レーザを作製することができる。   A resist pattern is formed on this low reflectivity structure, an Au / AuZn film is deposited, and then an upper electrode having an opening with a diameter of 40 μm is provided on the low reflectivity structure by lift-off. Finally, an Au / Ti / AuGe lower electrode is provided on the back surface of the GaAs substrate, and the photonic crystal laser shown in FIG. 14 can be manufactured.

図１４のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から、それぞれ正，負のキャリアを注入すると、キャリアはＡｌＡｓの酸化により形成された高抵抗領域ため経路が制限されて活性層に達し、活性層が発光する。活性層で発光した光は、ガイド層まで達する２次元フォトニック結晶で２次の回折を行い閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。レーザ光は上部電極の開口部から垂直に出力される。   In the photonic crystal laser shown in FIG. 14, when positive and negative carriers are injected from the upper electrode and the lower electrode, respectively, the carrier is a high resistance region formed by oxidation of AlAs, so that the path is limited and reaches the active layer. The layer emits light. The light emitted from the active layer is confined by second-order diffraction by a two-dimensional photonic crystal reaching the guide layer, and further amplified and laser oscillation occurs. Laser light is output vertically from the opening of the upper electrode.

実施例３のフォトニック結晶レーザでは、実施例２の作用効果にさらに次の効果が加わる。   In the photonic crystal laser of Example 3, the following effect is further added to the function and effect of Example 2.

すなわち、実施例３のフォトニック結晶レーザでは、低屈折率孔の上部に広がっている高抵抗領域の存在のため電流経路が制限され、低屈折率孔に達するキャリアが少なくなり、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合はより少なくなる。よって、リーク電流が少なく、より小さい閾値で発振し、より電力利用効率よく出力される。   That is, in the photonic crystal laser of Example 3, the current path is limited due to the presence of the high resistance region extending above the low refractive index hole, and the number of carriers reaching the low refractive index hole is reduced. There is less non-radiative recombination of carriers at the sidewalls. Therefore, the leakage current is small, oscillation occurs with a smaller threshold, and the power is used more efficiently.

また、実施例３のフォトニック結晶レーザでは、ガイド層とクラッド層の境界に電流経路制限層が設けられているので、大部分のキャリアが低屈折率孔の側壁に達する前に活性層に達するので、非発光再結合によるリーク電流がより少なくなる。   In the photonic crystal laser of Example 3, since the current path limiting layer is provided at the boundary between the guide layer and the cladding layer, most of the carriers reach the active layer before reaching the side wall of the low refractive index hole. Therefore, the leakage current due to non-radiative recombination is further reduced.

また、実施例３では、電流経路制限層の導電性領域がＡｌＡｓ層からなり、高抵抗領域はＡｌＡｓを酸化した層からなっているので、電流経路制限層を精度よく形成することができ、確実に、非発光再結合によるリーク電流が小さくなり、小さい閾値で発振するようになる   Further, in Example 3, since the conductive region of the current path limiting layer is made of an AlAs layer and the high resistance region is made of an oxidized AlAs layer, the current path limiting layer can be formed with high accuracy. In addition, the leakage current due to non-radiative recombination is reduced and oscillation occurs at a small threshold.

また、実施例３では、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料を含んでいるので、光伝送に適用性の高いＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを得ることができる。   In Example 3, since the GaInNAs-based material is included in the active layer, a GaInNAs-based photonic crystal laser with high applicability to optical transmission can be obtained.

図１６は実施例４のフォトニック結晶レーザを示す図である。なお、図１６の電流経路制限層の基板と平行な断面は図１５と同様のものとなる。図１６を参照すると、実施例４では、先ず、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ０．６μｍのｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ３０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層、厚さ３００ｎｍのｐ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ上部クラッド層、厚さ１０ｎｍのｐ−ＧａＡｓ融着層を順次にエピタキシャル成長させ、第１の半導体積層膜を形成する。 FIG. 16 is a diagram showing a photonic crystal laser of Example 4. The cross section of the current path limiting layer in FIG. 16 parallel to the substrate is the same as that in FIG. Referring to FIG. 16, in Example 4, first, an MOCVD method is used to form an n-Al 0.9 Ga 0.1 As / n-GaAs 10.5 pair on an n-GaAs single crystal (100) substrate. Lower semiconductor DBR, 0.6 μm thick n-Al 0.8 Ga 0.2 As lower cladding layer, 150 nm thick GaAs lower guide layer, GaInNAs / GaAs TQW active layer, 150 nm thick GaAs upper guide layer, A p-AlAs current path limiting layer having a thickness of 30 nm, a p-Al 0.8 Ga 0.2 As upper cladding layer having a thickness of 300 nm, and a p-GaAs fusion layer having a thickness of 10 nm are sequentially epitaxially grown, and the first A semiconductor laminated film is formed.

一方、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、厚さ０．５μｍのＧａＩｎＰエッチストップ層、５．５ペアのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ上部半導体ＤＢＲ層を順次にエピタキシャル成長させ、第２の半導体積層膜を形成する。この上部半導体ＤＢＲ層の最表面のｐ−ＧａＡｓ層の厚さは通常より１０ｎｍ薄くし１００ｎｍとする。これは前記第１の半導体積層膜のｐ−ＧａＡｓ融着層との融着後に合計でλ／４ｎの厚さにするためである。 On the other hand, by MOCVD, on a n-GaAs single crystal (100) substrate, a 0.5 μm thick GaInP etch stop layer, 5.5 pairs of p-Al 0.9 Ga 0.1 As / p-GaAs tops The semiconductor DBR layer is sequentially epitaxially grown to form a second semiconductor multilayer film. The p-GaAs layer on the outermost surface of this upper semiconductor DBR layer is 10 nm thinner than usual and 100 nm. This is because the thickness of the first semiconductor laminated film is λ / 4n in total after fusion with the p-GaAs fusion layer.

続いて、第１の半導体積層膜にレジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＩＣＰエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。   Subsequently, a resist is applied to the first semiconductor multilayer film, EB is directly drawn, and a photonic crystal structure is produced within a range of 50 μm in diameter on the surface of the multilayer film using an ICP etching method.

このフォトニック結晶構造は、積層膜表面の直径５０μｍの領域内で、格子間隔が４３９ｎｍの三角格子で、各格子点には直径１００ｎｍの低屈折率孔を有する。これらフォトニック結晶構造の低屈折率孔の底面が、上部ガイド層の上面から１００ｎｍの距離に位置するようにする。   This photonic crystal structure is a triangular lattice having a lattice spacing of 439 nm within a region having a diameter of 50 μm on the surface of the laminated film, and each lattice point has a low refractive index hole having a diameter of 100 nm. The bottom surfaces of the low refractive index holes of these photonic crystal structures are positioned at a distance of 100 nm from the top surface of the upper guide layer.

次に、水蒸気を導入しながら４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出したｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層の側壁から酸化していき、外径が３５０ｍの高抵抗領域を形成する。酸化されないで残ったｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層は導電性領域となる。   Next, it heat-processes at about 400 degreeC, introduce | transducing water vapor | steam, and oxidizes from the side wall of the p-AlAs electric current path limiting layer exposed to the low refractive index hole inner wall, and forms a high resistance area | region whose outer diameter is 350 m. The p-AlAs current path limiting layer remaining without being oxidized becomes a conductive region.

次に、真空中で４５０℃の熱処理を行うことにより、第１の半導体積層膜のｐ−ＧａＡｓ融着層と第２の半導体積層膜の上部半導体ＤＢＲ層の最表面のｐ−ＧａＡｓ層を融着する。   Next, heat treatment is performed in vacuum at 450 ° C. to melt the p-GaAs fusion layer of the first semiconductor multilayer film and the p-GaAs layer on the outermost surface of the upper semiconductor DBR layer of the second semiconductor multilayer film. To wear.

次に、第２の半導体積層膜側のＧａＡｓ基板を研磨とＨ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ液を用いたエッチングで除去し、ＧａＩｎＰ層を露出させる。続いて、ＨＣｌ／Ｈ２Ｏ液でＧａＩｎＰ層を除去し、ｐ−ＧａＡｓ ＤＢＲ層を露出させる。次に、この直径５０μｍのｐ−ＧａＡｓ ＤＢＲ層を残し、周辺を下部クラッド層までドライエッチングにより除去する。続いて、フォトニック結晶の１０単位格子離れた格子点の上の上部半導体ＤＢＲをドライエッチングにより除去し、低反射率構造を作製する。 Next, the GaAs substrate on the second semiconductor multilayer film side is removed by polishing and etching using a H 2 SO 4 / H 2 O 2 / H 2 O solution to expose the GaInP layer. Subsequently, the GaInP layer is removed with an HCl / H 2 O solution to expose the p-GaAs DBR layer. Next, the p-GaAs DBR layer having a diameter of 50 μm is left, and the periphery is removed to the lower cladding layer by dry etching. Subsequently, the upper semiconductor DBR above the lattice points separated by 10 unit lattices of the photonic crystal is removed by dry etching to produce a low reflectance structure.

この低反射率構造の上にレジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより低反射率構造上に直径４０μｍの開口をもつ上部電極を設ける。最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｔｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設ける。   A resist pattern is formed on this low reflectivity structure, an Au / AuZn film is deposited, and then an upper electrode having an opening with a diameter of 40 μm is provided on the low reflectivity structure by lift-off. Finally, an Au / Ti / AuGe lower electrode is provided on the back surface of the GaAs substrate.

実施例４のフォトニック結晶レーザも、実施例３のフォトニック結晶レーザと同様の動作をする。   The photonic crystal laser of Example 4 also operates in the same manner as the photonic crystal laser of Example 3.

実施例４のフォトニック結晶レーザでは、実施例３の作用効果にさらに次の効果が加わる。   In the photonic crystal laser of Example 4, the following effect is further added to the effect of Example 3.

すなわち、実施例４では、ウェハ融着法によりフォトニック結晶上部半導体ＤＢＲ部を接合しているので、再成長が不要となり、欠陥による吸収と散乱がない高品質の半導体ＤＢＲを得ることができる。このため、閾値電流がより低くなり、電力利用効率も高まる。また、フォトニック結晶構造の低屈折率孔の内部が減圧状態になるので、高屈折率領域との屈折率差が大きくなり、発振光の閉じ込めが強まる。このため、閾値電流がさらに低くなり、電力利用効率もさらに高まるので、連続発振がより容易になる。   That is, in Example 4, since the photonic crystal upper semiconductor DBR portion is bonded by the wafer fusion method, regrowth is not required, and a high-quality semiconductor DBR free from absorption and scattering due to defects can be obtained. For this reason, a threshold current becomes lower and power utilization efficiency also increases. In addition, since the inside of the low refractive index hole of the photonic crystal structure is in a reduced pressure state, the refractive index difference from the high refractive index region is increased, and the confinement of oscillation light is strengthened. For this reason, the threshold current is further reduced and the power utilization efficiency is further increased, so that continuous oscillation becomes easier.

本発明は、光集積回路，光電融合回路などに利用可能である。
The present invention can be used for an optical integrated circuit, a photoelectric fusion circuit, and the like.

本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザの第１の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 1st structural example of the photonic crystal laser of the 1st, 2nd form of this invention. 三角格子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a triangular lattice. 正方格子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a square lattice. 本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザの第２の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd structural example of the photonic crystal laser of the 1st, 2nd form of this invention. 本発明の第３，第４の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the photonic crystal laser of the 3rd, 4th form of this invention. 本発明の第３，第４の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the photonic crystal laser of the 3rd, 4th form of this invention. 本発明の第５の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the photonic crystal laser of the 5th form of this invention. 本発明の第７の形態のフォトニック結晶レーザの作製工程例を示す図である。It is a figure which shows the example of a manufacturing process of the photonic crystal laser of the 7th form of this invention. 本発明の第７の形態のフォトニック結晶レーザの作製工程例を示す図である。It is a figure which shows the example of a manufacturing process of the photonic crystal laser of the 7th form of this invention. 本発明のフォトニック結晶レーザを備えたボード間の並列光伝送システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the parallel optical transmission system between boards provided with the photonic crystal laser of this invention. 本発明の第６の形態のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを光源として備えたボード間のチップ間の並列空間光伝送システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the parallel space optical transmission system between the chips | tips between boards provided with the GaInNAs type | system | group photonic crystal laser of the 6th form of this invention as a light source. 実施例１のフォトニック結晶レーザを示す図である。1 is a diagram showing a photonic crystal laser of Example 1. FIG. 実施例２のフォトニック結晶レーザを示す図である。6 is a diagram showing a photonic crystal laser of Example 2. FIG. 実施例３のフォトニック結晶レーザを示す図である。6 is a diagram showing a photonic crystal laser of Example 3. FIG. 実施例３のフォトニック結晶レーザを示す図である。6 is a diagram showing a photonic crystal laser of Example 3. FIG. 実施例４のフォトニック結晶レーザを示す図である。6 is a diagram showing a photonic crystal laser of Example 4. FIG.

Claims (8)

基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。 A lower clad layer, a light emitting layer, an upper clad layer, and an upper electrode are sequentially provided on the substrate, and a high refractive index is formed in any layer between the lower clad layer and the upper clad layer or at the interface between the layers. One of the layers between the substrate and the lower cladding layer having a two-dimensional photonic crystal structure comprising a high refractive index region made of a material and a low refractive index hole having a refractive index smaller than that of the high refractive index region In a photonic crystal laser including a lower electrode connected to the substrate, a lower semiconductor distributed multilayer reflector is provided between the substrate and the lower clad layer, and an upper semiconductor distributed multilayer reflector is provided between the upper clad layer and the upper electrode. A photonic crystal laser characterized by having a low reflectivity structure in a region where no upper electrode is provided or in an opening of an upper electrode provided for light output . 請求項１記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。 2. The photonic crystal laser according to claim 1, wherein the light emitting layer includes a lower guide layer, an active layer, and an upper guide layer, and the low refractive index hole of the two-dimensional photonic crystal structure includes the lower guide layer and the upper guide layer. A photonic crystal laser, which is provided in any one of the guide layers. 請求項１または請求項２記載のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。 3. The photonic crystal laser according to claim 1, wherein the high resistance region and the conductivity are formed as a layer constituting the two-dimensional photonic crystal structure or adjacent to the layer constituting the two-dimensional photonic crystal structure. A current path limiting layer configured to limit the current path to the light emitting layer, so that the cross-sectional shape parallel to the film surface of the high resistance region includes the cross-sectional shape parallel to the film surface of the low refractive index hole A photonic crystal laser characterized by being arranged. 請求項３記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層は、下部ガイド層と下部クラッド層との界面、又は、上部ガイド層と上部クラッド層との界面に設けられていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。 4. The photonic crystal laser according to claim 3, wherein the current path limiting layer is provided at an interface between the lower guide layer and the lower clad layer or an interface between the upper guide layer and the upper clad layer. Photonic crystal laser. 請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。 5. The photonic crystal laser according to claim 3, wherein the conductive region of the current path limiting layer is an Al x Ga 1-x As (0.95 <x ≦ 1) layer, and the current path limiting layer is formed. The photonic crystal laser is characterized in that the high resistance region is formed by oxidizing the Al x Ga 1-x As layer. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。 6. The photonic crystal laser according to claim 1, wherein the active layer of the light emitting layer contains a GaInNAs-based material. 第１の基板に、下部半導体ＤＢＲ、発光層を順次形成する第１の工程と、第２の基板に、上部ＤＢＲ半導体を形成する第２の工程と、第１の基板上の第１の表面、または、第２の基板上の第２の表面に、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程と、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程の後に、第１の基板上の第１の表面と第２の基板上の第２の表面とを接合する第４の工程とを含むことを特徴とするフォトニック結晶レーザの製造方法。 A first step of sequentially forming a lower semiconductor DBR and a light emitting layer on a first substrate, a second step of forming an upper DBR semiconductor on a second substrate, and a first surface on the first substrate Alternatively, after the third step of forming the two-dimensional photonic crystal structure and the third step of forming the two-dimensional photonic crystal structure on the second surface of the second substrate, the first substrate A method of manufacturing a photonic crystal laser, comprising: a fourth step of bonding the first surface above and the second surface on the second substrate. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システム。 An optical transmission system comprising the photonic crystal laser according to any one of claims 1 to 6 as a light emitting device.
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