JP5854417B2 - ２次元フォトニック結晶レーザ - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャル法による作製に適した構造を有する２次元フォトニック結晶レーザに関する。

近年、２次元フォトニック結晶を用いた新しいタイプのレーザが開発されている。２次元フォトニック結晶とは、誘電体から成る母材に屈折率の周期構造を形成したものであり、一般に母材とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を母材内に周期的に設けることにより作製される。この周期構造により、結晶内でブラッグ回折が生じ、また、光のエネルギーにエネルギーバンドギャップが現れる。２次元フォトニック結晶レーザには、バンドギャップ効果を利用して点欠陥を共振器として用いるものと、光の群速度が0となるバンド端の定在波を利用するものがあるが、いずれも所定の波長の光を増幅してレーザ発振を得るものである。

２次元フォトニック結晶レーザでは、２次元フォトニック結晶構造を有する層（以下、「２次元フォトニック結晶層」とする）の異屈折率領域を空孔とすることが多い。これは、母材と空孔との屈折率差を大きくすることができ、２次元フォトニック結晶層の共振器としての性能を向上させることができるためである。

特許文献１には空孔（異屈折率領域）が母材内に周期的に並んだ２次元フォトニック結晶構造を有する層の上に、別途作製された層を重ねて加熱することにより融着（熱融着）させる方法が記載されている。

しかしながら、この方法で作製した２次元フォトニック結晶レーザでは、熱融着を行った２次元フォトニック結晶層と、この２次元フォトニック結晶層の上に積層した層（以下、「上部層」とする）の融着面における界面準位のため、これらの界面において電気抵抗が高くなる。そのため、動作電圧が高くなり、レーザの連続発振が生じにくくなってしまう。また、熱融着を行う際に空孔の形状が崩れてしまい、２次元フォトニック結晶層の共振器としての性能が低下してしまうことがある。

一方、特許文献２には、GaNを母材とし、空孔が周期的に形成された２次元フォトニック結晶層の上に、AlGaNを直接、エピタキシャル成長させることにより上部層を形成する方法が記載されている。

特許文献２に記載の方法は、大別して、(i)空孔を残したまま上部層を形成する方法、(ii)空孔を埋めつつ上部層を形成する方法、(iii)柱状の異屈折率領域を先に形成し、その周囲をエピタキシャル成長により埋めることで母材を形成しつつ上部層を形成する方法、の３つである。

(ii)及び(iii)の方法では、異屈折率領域が空気以外の材料（具体的には上部層と同じ材料）で埋められることになる。このような構造では、異屈折率領域を空孔とした場合に比べて光の閉じ込め効果が低下するが、その一方で単一モード且つ大面積でレーザ発振させやすくなる。

特開2000-332351号公報 国際公開WO2006/062084号

特許文献２に記載の方法では、２次元フォトニック結晶層と上部層の界面において電気抵抗が高くなるという問題は生じない。しかしながら、(i)の方法では、上部層をエピタキシャル成長させる際に空孔の一部が上部層の材料で埋まってしまい、空孔の形状が変化してしまうという問題がある。また、(ii)及び(iii)の方法については、空孔内や柱状の異屈折率領域の間を上部層の材料で完全に埋めることが難しく、空洞が形成されやすいという問題がある。これらの場合、屈折率の周期構造が不完全なものとなってしまい、２次元フォトニック結晶層の共振器としての性能が低下するという問題が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、２次元フォトニック結晶層の上部層をエピタキシャル法により形成する際に、２次元フォトニック結晶層の共振器としての性能を低下させないようにした２次元フォトニック結晶レーザを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザは、
Al_αGa_1-αAs（0＜α＜1）又は(Al_βGa_1-β)_γIn_1-γP（0≦β＜1, 0＜γ＜1）を母材とする母材層内に、空孔から成る異屈折率領域が周期的に設けられた２次元フォトニック結晶層と、
前記２次元フォトニック結晶層の上にエピタキシャル法によって作製される、Alを含有するp型又はn型の半導体から成るエピタキシャル成長層と、
前記エピタキシャル成長層の上に積層された、Alを含有するp型又はn型の半導体から成るクラッド層
を有し、
前記エピタキシャル成長層におけるAlの含有率が、前記クラッド層におけるAlの含有率よりも高い
ことを特徴とする。

なお、本願では、各層の相対的な位置関係を示すために、便宜的に「上」、「下」という語を用いるが、これらは、作製時の各層の向き及び作製後の２次元フォトニック結晶レーザの向きを限定するものではない。

２次元フォトニック結晶層の上の層をエピタキシャル法により作製するには、２次元フォトニック結晶層の温度を600℃前後にまで上昇させる必要がある。しかしながら、例えば異屈折率領域が空孔である場合など、２次元フォトニック結晶層において空孔が設けられた状態でその上部層をエピタキシャル法により作製すると、このような高い温度ではマイグレーションが生じて空孔の形状が崩れてしまうことがある。一方、Al_αGa_1-αAs系材料や(Al_βGa_1-β)_γIn_1-γP系材料は高温においても堅固であるため、上部層をエピタキシャル成長させる際に空孔の形状が崩れてしまうことがなく、２次元フォトニック結晶層の共振器としての性能を高く維持することができる。

前記エピタキシャル成長層の材料としては、Al_xGa_1-xAs（0＜x＜1）が望ましい。Al_xGa_1-xAsはAlの含有率によってガスの拡散長が異なり、その成長特性が変化する。そのため、下部層であるフォトニック結晶層の構造に応じてxの値を最適値とすることで、上記と同様に、２次元フォトニック結晶層の共振器としての性能を高く維持することができる。

また、前記エピタキシャル成長層は、そのまま発光ダイオード（LED）におけるp型又はn型のクラッド層として用いることができるが、このクラッド層を別途エピタキシャル成長させるための再成長界面層として用いることもできる。上記のように、フォトニック結晶層の構造に応じてxを変化させるため、エピタキシャル成長層をそのままクラッド層とすると、フォトニック結晶層の構造に応じてクラッド層の組成も変化することになる。一方、再成長界面層を導入すれば、フォトニック結晶層の構造によらずクラッド層を作製することができるため、より自由度の高い構造で２次元フォトニック結晶レーザを製造することができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザは、２次元フォトニック結晶層の上部層をエピタキシャル法により作製するのに適した構造を有する。本発明の構造では、エピタキシャル成長の際に、２次元フォトニック結晶層に設けられた空孔が変形したり崩れたりすることがない。また、上部層であるエピタキシャル成長層の材料をAl_xGa_1-xAsとし、xの値をその成長特性に基づいた最適値とすることにより、２次元フォトニック結晶層の共振器としての性能を高く維持することができる。さらに、エピタキシャル成長層を、p型又はn型のクラッド層をエピタキシャル成長により作製するための再成長界面層として用いることにより、２次元フォトニック結晶レーザの構造上の自由度を高めることが可能となる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第１の実施例を示す斜視図。 ２次元フォトニック結晶層の構造の一例を示す上面図。 実施例１の２次元フォトニック結晶レーザの製造方法を示す縦断面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第２の実施例を示す縦断面図。 実施例２の２次元フォトニック結晶レーザの製造方法を示す縦断面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第３の実施例を示す縦断面図。 空孔の深さhと最大幅dを説明するための図。 実施例３の２次元フォトニック結晶レーザの製造方法を示す縦断面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第４の実施例を示す縦断面図。 実施例４の２次元フォトニック結晶レーザの製造方法を示す縦断面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの第５の実施例を示す縦断面図。 実施例５の２次元フォトニック結晶レーザの製造方法を示す縦断面図。

図１〜図１２を用いて、本発明、及び本発明には属しないが本発明に関連する２次元フォトニック結晶レーザの実施例を説明する。

実施例１の２次元フォトニック結晶レーザ１０は本発明には属しないが本発明に関連するものであって、図１に示すように、基板１１の上に、第１クラッド層１２、活性層１３、キャリアブロック層１４、２次元フォトニック結晶層１５、第２クラッド層（エピタキシャル成長層）１６、コンタクト層１７、が順に積層された構造を有している。そして、基板１１の下には下部電極１８が、コンタクト層１７の上には上部電極１９が、それぞれ設けられている。

２次元フォトニック結晶層１５は、図２に示すように、板状の母材層１５２内に、円形や三角形等の平面形状を有する空孔１５１が周期的に形成されている。本実施例では、母材層１５２の材料にはAl_0.1Ga_0.9Asを用いる。これは、この材料が高温においても堅固であり、後述のように第２クラッド層１６をエピタキシャル法により作製する際に温度を上昇させても、空孔１５１の形状が崩れてしまうことがないためである。

なお、母材層１５２の材料は本実施例のものには限らず、Al_αGa_1-αAs（0＜α＜1）又は(Al_βGa_1-β)_γIn_1-γP（0≦β＜1, 0＜γ＜1）を用いることができる。前者は近赤外領域の波長を持つレーザ光を発振させる場合に、後者は赤色領域の波長を持つレーザ光を発振させる場合に、好適に用いることができる。

第２クラッド層１６の材料には、２次元フォトニック結晶層１５の上にエピタキシャル法により作製することが可能なものを用いる。第２クラッド層１６の材料には、本実施例ではp型のAl_0.65Ga_0.35As、即ち+3価である(Al_0.65Ga_0.35)サイトに微量の+2価の不純物を添加したものを用いる。なお、第２クラッド層１６の材料は本実施例のものには限らず、p型のAl_xGa_1-xAs（0.4≦x＜1）を好適に用いることができる。Al_xGa_1-xAsは、xの値が大きくなるほどガスの拡散長が短くなり、空孔１５１内に侵入しにくくなる。そのため、空孔１５１内に不要なp型Al_0.65Ga_0.35Asの結晶が形成されることを抑制することができる。

２次元フォトニック結晶層１５及び第２クラッド層１６以外の各層は、本実施例では以下のものを用いる。基板１１の材料にはn型のGaAsを、第１クラッド層１２の材料にはn型のAl_0.65Ga_0.35Asを、それぞれ用いる。これらはGaAsのGaサイト又はAl_0.65Ga_0.35Asの(Al_0.65Ga_0.35)サイトに微量の+4価の不純物を添加したものである。活性層１３にはInGaAs/GaAsの多重量子井戸から成るものを用いる。キャリアブロック層１４にはAl_0.4Ga_0.6Asから成るものを用いる。コンタクト層１７にはp型のGaAsを用いる。なお、これら各層にも、上記以外の材料を用いることができる。

また、本実施例とは逆に、基板１１及び第１クラッド層１２にp型の材料を用い、第２クラッド層１６及びコンタクト層１７にn型の材料を用いてもよい。

次に、図３を用いて、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０の製造方法の一例を示す。まず、基板１１の上に、第１クラッド層１２、活性層１３、キャリアブロック層１４を順に、気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する。次に、キャリアブロック層１４の上に、母材層１５２を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(b)。続いて、母材層１５２の上面にレジスト２１を塗布し、電子ビームリソグラフィ法により、空孔１５１の配置に対応したパターンを該レジスト２１に形成したうえで、エッチング法により母材層１５２に空孔１５１を形成することにより、２次元フォトニック結晶層１５を作製する(c)。

その後、レジスト２１を除去し、２次元フォトニック結晶層１５の上に第２クラッド層１６を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(d)。また、第２クラッド層１６をエピタキシャル成長させる間、２次元フォトニック結晶層１５を約600℃に加熱する。このような温度に加熱すると、仮に母材層１５２の材料がAlを含有しないGaAsであるならば、マイグレーションが生じて空孔１５１の形状が崩れてしまうおそれがあるが、本実施例では母材層１５２の材料にAl_0.1Ga_0.9Asを用いることにより空孔１５１の形状を保持することができる。

このように第２クラッド層１６が作製された後、第２クラッド層１６の上にコンタクト層１７を気相法でエピタキシャル成長させる。そして、基板１１の下側に下部電極１８を、コンタクト層１７の上に上部電極１９を、それぞれ蒸着法で作製することにより、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０が得られる(e)。

図４を用いて、本発明には属しないが本発明に関連する２次元フォトニック結晶レーザの実施例２を説明する。本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ａは、実施例１における２次元フォトニック結晶層１５の代わりに、以下に述べる２次元フォトニック結晶層１５Ａを用いたものである。それ以外の構成は実施例１の２次元フォトニック結晶レーザ１０と同じである。

２次元フォトニック結晶層１５Ａは、Al_0.65Ga_0.35As（α＝0.65）から成る第１母材層１５２１Ａの上面に、Al_0.1Ga_0.9As（α＝0.1）から成る第２母材層１５２２Ａが第１母材層１５２１Ａよりも薄く形成された、２層構造の母材層１５２Ａを有する。母材層１５２Ａ内には、空孔１５１Ａが実施例１と同じ形状及び周期で形成されている。第２母材層１５２２Ａは、第１母材層１５２１ＡよりもAlの含有率が低いため、後述の製造工程において酸化しにくい、という特長を有する。

図５を用いて、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ａの製造方法を説明する。まず。実施例１と同様の方法により、基板１１の上に、第１クラッド層１２、活性層１３及びキャリアブロック層１４を順に、気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(a)。次に、キャリアブロック層１４の上に、第１母材層１５２１Ａを気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(b)。続いて、第１母材層１５２１Ａの上に、第２母材層１５２２Ａを気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(c)。ここまでの各工程は、同一のチャンバ内で原料ガスを変更することにより行う。

次に、実施例１と同様に、電子ビームリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、母材層１５２Ａ内に空孔１５１Ａを形成する(d)。この工程は、エピタキシャル法以外の方法を用いているため、それ以前の各工程とは異なるチャンバ内で行う。続いて、チャンバを元のものに変更し、第２母材層１５２２Ａの表面に、第２クラッド層１６を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(e)。その後、実施例１と同様の方法によりコンタクト層１７、下部電極１８及び上部電極１９を作製することにより、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ａが得られる。

このように、空孔１５１Ａを形成する工程の前後においてはチャンバを変更する必要があり、その際に母材層の表面が酸化するおそれがある。本実施例では、第１母材層１５２１Ａの材料よりも酸化しにくい材料を第２母材層１５２２Ａに用いることにより、母材層の表面が酸化することを抑制している。

図６を用いて、本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの実施例３を説明する。本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｂは、実施例１における２次元フォトニック結晶層１５と第２クラッド層１６の間に、Al_xGa_1-xAs（0.4≦x＜1）から成る再成長界面層３１を設けたものである。

また、空孔１５１は、平面形状の最大幅dを200nm以下とすると共に、深さhと最大幅dの比h/d（アスペクト比）を1.3以上5以下とする。ここで、最大幅dは、空孔１５１の平面形状内に収まる最長の線分の長さをいう（図７）。例えば空孔１５１の平面形状が円の場合には直径が、正三角形の場合には辺が、正三角形以外の三角形の場合には３辺のうちの最長の辺の長さが、それぞれ最大幅に該当する。

本実施例では、再成長界面層３１におけるAlの含有率xを比較的高い値にすると共に、アスペクト比h/dを1.3以上とすることにより、再成長界面層３１の原料ガスが空孔１５１内に侵入しにくくなるようにしている。そのため、空孔１５１内に再成長界面層３１の材料から成る結晶が形成されることが抑制される。なお、hが大きすぎたり、dが小さすぎたりすると、空孔１５１の２次元周期構造が十分に形成されないことがあるため、アスペクト比h/dの上限は5とした。

図８を用いて、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｂの製造方法を説明する。まず。実施例１と同様の方法により、基板１１の上に、第１クラッド層１２、活性層１３、キャリアブロック層１４及び２次元フォトニック結晶層１５を作製する(a)。次に、２次元フォトニック結晶層１５の上に、再成長界面層３１を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製し、空孔１５１の上部を塞ぐ(b)。その際、上記のように、空孔１５１内に再成長界面層３１の材料が侵入することが抑制される。また、母材層１５２の材料に上記のものを用いているため、この工程においてマイグレーションが生じることを防ぐことができる。続いて、再成長界面層３１の上に、第２クラッド層１６を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(c)。その後、実施例１と同様の方法によりコンタクト層１７、下部電極１８及び上部電極１９を作製することにより、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｂが得られる。

図９を用いて、本発明には属しないが本発明に関連する２次元フォトニック結晶レーザの実施例４を説明する。本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｃは、実施例３における再成長界面層３１の代わりに、Al_xGa_1-xAs（0＜x≦0.8）から成る再成長界面層３１Ａを設ける。それと共に、２次元フォトニック結晶層１５Ｃ内に、空孔１５１の代わりに、再成長界面層３１Ａと同じ材料から成る異屈折率部材３２を周期的に設ける。異屈折率部材３２は、平面形状の最大幅dを200nm以下とすると共に、アスペクト比h/dを0.1以上1.2以下とする。なお、最大幅d及びアスペクト比h/dの定義は空孔１５１の場合と同様である。

本実施例では、再成長界面層３１ＡにおけるAlの含有率xを比較的低い値にすると共に、アスペクト比h/dを1.2以下とすることにより、再成長界面層３１Ａを作製する際に、空孔１５１内に再成長界面層３１Ａの原料ガスが侵入しやすくなるようにしている。なお、hが小さすぎたり、dが大きすぎたりすると、空孔１５１の２次元周期構造が十分に形成されないことがあるため、アスペクト比h/dの下限は0.1とした。

図１０を用いて、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｃの製造方法を説明する。まず、実施例１と同様の方法により、基板１１の上に、第１クラッド層１２、活性層１３及びキャリアブロック層１４及び２次元フォトニック結晶層１５を作製する(a)。但し、ここで作製された２次元フォトニック結晶層１５は実施例１と同様に空孔１５１を有するものであり、未だ異屈折率部材３２は形成されていない。次に、２次元フォトニック結晶層１５の上に再成長界面層３１Ａを、空孔１５１内に異屈折率部材３２を、同時に気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(b)。その際、上記のように空孔１５１内に原料ガスが侵入しやすくなるため、空洞を生じることなく異屈折率部材３２を形成することができる。また、母材層１５２の材料に上記のものを用いているため、この工程においてマイグレーションが生じることを防ぐことができる。続いて、再成長界面層３１Ａの上に、第２クラッド層１６を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(c)。その後、実施例１と同様の方法によりコンタクト層１７、下部電極１８及び上部電極１９を作製することにより、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｃが得られる。

図１１を用いて、本発明には属しないが本発明に関連する２次元フォトニック結晶レーザの実施例５を説明する。本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｄでは、２次元フォトニック結晶層１５Ｄは、キャリアブロック層１４の上面に周期的に配置された柱状の異屈折率部材３２Ａと、異屈折率部材３２Ａの周りに埋め込まれた母材１５２Ｂから成る構成を採っている。本実施例では、異屈折率部材３２Ａの材料はAl_xGa_1-xAs（0＜x≦0.8）には限定されず、他の半導体材料や誘電体材料を用いることもできる。また、２次元フォトニック結晶層１５Ｄの上面には、母材１５２Ｂと同じ材料から成る再成長界面層３１Ｂが形成されている。その他の構成は実施例１と同様である。

図１２を用いて、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｄの製造方法を説明する。まず、実施例１と同様の方法により、基板１１の上に、第１クラッド層１２、活性層１３及びキャリアブロック層１４を作製する。次に、キャリアブロック層１４の上に、異屈折率部材３２Ａの材料から成る異屈折率領域前駆層３３を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(a)。続いて、電子ビームリソグラフィ法及びエッチング法を用い、周期的に配置された柱状の領域を残して、異屈折率領域前駆層３３を上面から途中まで除去する。これにより、異屈折率領域前駆層３３の下側の一部が残って形成されたスペーサ層３３Ａの上に、柱状の異屈折率部材３２Ａが形成される(b)。次に、スペーサ層３３Ａの上に、母材１５２Ｂを気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する。そして、母材１５２Ｂが異屈折率部材３２Ａの上面まで形成された後もエピタキシャル法により結晶の作製を継続する。これにより、異屈折率部材３２Ａ及び母材１５２Ｂの上に再成長界面層３１Ｂを形成する(c)。そして、再成長界面層３１Ｂの上面に、第２クラッド層１２を気相法でエピタキシャル成長させることにより作製する(d)。その後、実施例１と同様の方法によりコンタクト層１７、下部電極１８及び上部電極１９を作製することにより、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０Ｄが得られる。

本発明は上記各実施例には限定されない。例えば、母材層は材料が異なる複数の層から構成することができ、それらの層のうちの１層はAlを含有しないGaAsから成る層であってもよい。その場合であっても、母材層全体がGaAsから成る場合と比較すると、マイグレーションの影響を抑制することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ…２次元フォトニック結晶レーザ
１１…基板
１２…第１クラッド層
１３…活性層
１４…キャリアブロック層
１５、１５Ａ、１５Ｃ、１０Ｄ…２次元フォトニック結晶層
１５１、１５１Ａ…空孔
１５２、１５２Ａ…母材層
１５２１Ａ…第１母材層
１５２２Ａ…第２母材層
１５２Ｂ…母材
１６…第２クラッド層（エピタキシャル成長層）
１７…コンタクト層
１８…下部電極
１９…上部電極
２１…レジスト
３１、３１Ａ、３１Ｂ…再成長界面層
３２、３２Ａ…異屈折率部材
３３…異屈折率領域前駆層
３３Ａ…スペーサ層

Claims (5)

1. Al_αGa_1-αAs（0＜α＜1）又は(Al_βGa_1-β)_γIn_1-γP（0≦β＜1, 0＜γ＜1）を母材とする母材層内に、空孔から成る異屈折率領域が周期的に設けられた２次元フォトニック結晶層と、
   前記２次元フォトニック結晶層の上に積層されている、Alを含有するp型又はn型の半導体から成るエピタキシャル成長層と、
   前記エピタキシャル成長層の上に積層されている、Alを含有するp型又はn型の半導体から成るクラッド層
   を有し、
   前記エピタキシャル成長層におけるAlの含有率が、前記クラッド層におけるAlの含有率よりも高い
   ことを特徴とする２次元フォトニック結晶レーザ。
2. 前記母材層が、前記αの値が異なる複数の層、前記αの値が特定の値である１層若しくは前記αの値が異なる複数の層及びGaAsから成る層を有する複数の層、又は前記β及び前記γの値のうち一方若しくは両方が異なる複数の層が積層されている構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
3. 前記母材層を構成する複数の層のうち、前記エピタキシャル層に最近接する層におけるAlの含有率が0.1以下であることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
4. 前記母材層がGaAsから成る層を有していることを特徴とする請求項２又は３に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
5. 前記エピタキシャル成長層の材料がAl_xGa_1-xAs（0＜x＜1）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶レーザ。

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